Nanotechnology as choreography: Great form, useful function?

La danse nanotechnologique: belle de forme, mais utile?

1 novembre 2006

La nanotechnologie procède du mouvement coordonné : elle est une danse d’atomes et de molécules chorégraphiée dans un dessein précis. Jouant avec les lois de la physique et de la chimie, les chercheurs incitent la nature à assembler la matière en des formes nouvelles et utiles. Les matériaux ainsi obtenus pourraient révolutionner la médecine, l’informatique et l’énergétique.

La nanotechnologie n’est pourtant pas nouvelle. Depuis quatre milliards d’années sur la terre, la nature organise les atomes en molécules simples, les molécules en protéines, les protéines, les glucides et les lipides en cellules complexes, et les cellules en formes de vie qui varient à l’infini. La nature construit en se servant d’une centaine d’éléments atomiques distincts qui obéissent rigoureusement à un petit ensemble de lois simples, mais suprêmes. À partir d’un jeu limité de matériaux, elle conjugue sans limites variété et beauté, forme et objet.

Depuis des siècles, les scientifiques exploitent cet atelier moléculaire que la nature met à leur disposition. Ils relient des molécules en de longues et parfaites chaînes polymères aux propriétés prévisibles. Ils introduisent des amas de matière impure dans des chambres à vide où ils laissent s’évaporer des atomes pour en tirer des cristaux de forme, de taille et d’orientation définies. Ils en viennent à contrôler comment ces matériaux synthétiques émettent la lumière, conduisent l’électricité, réagissent au toucher.

Les chercheurs disposent aujourd’hui d’une boîte à outils riche et variée pour percer les secrets de la matière et arriver à la manipuler. Ils ont aussi un atout culturel d’une importance croissante : la nanotechnologie est une croisée de chemins, un point au cœur de la science moderne où convergent et se fondent les disciplines traditionnelles. En jumelant génie technique et médecine, on obtient des puces électroniques, des diagnostics et des thérapies qu’aucun spécialiste n’aurait pu produire dans son domaine cloisonné. Le choc des paradigmes engendre la pensée convergente.

La nanotechnologie appliquée : capter le monde environnant et transformer l’énergie du soleil en électricité

Cette faculté de jouer avec l’organisation même de la matière pourrait transformer de nombreuses technologies d’une grande importance. Déjà, nous avons des puces qui captent la lumière dans nos caméras numériques, et des panneaux photovoltaïques qui emmagasinent l’énergie solaire.

Ces applications reposent sur les semiconducteurs, une technologie éprouvée, puissante. D’autres percées spectaculaires pourraient résulter d’une miniaturisation plus poussée, mais aussi d’un emploi à grande échelle, en enduisant par exemple les puces électroniques, et même des matériaux de construction flexibles, de nouveaux semiconducteurs « nanostructurés ».

Les semiconducteurs sont le fondement physique de l’ère de l’information. Sans eux, il n’y aurait pas d’ordinateurs, d’Internet, de caméras numériques ni de caméras militaires à vision nocturne.

L’équipement nécessaire à la fabrication des cristaux semiconducteurs classiques coûte des millions de dollars et son fonctionnement est aussi dispendieux, en raison des dangereuses réactions chimiques qui s’y produisent. Depuis quelques décennies, des chercheurs puis des sociétés ont commencé à appliquer des semiconducteurs d’un genre nouveau à la surface des puces. Ils ont ainsi fabriqué des transistors, des capteurs, des piles solaires ou photopiles, même des lasers. Mais le rendement est-il comparable à celui des semiconducteurs habituels ?

En gros, oui. Il peut même le surpasser. En juillet 2006, nous faisions état dans la revue Nature d’un capteur optique badigeonné (« paint-on ») qui surpassait par un facteur de 10 environ son homologue de fabrication classique. On voit bien sur l’illustration la simplicité de sa structure. Mais ce qu’il faut retenir surtout, c’est qu’il fonctionnait si bien sans être autre chose qu’un simple cristal pur et parfait de semiconducteur. À l’examen, cependant, on se rend compte que ce n’est pas tant la perfection cristalline à l’échelle atomique qui, en l’occurrence, fait un bon capteur optique. Ce qu’il faut, c’est un signal puissant, un flux très intense de courant électrique induit par la lumière, conjugué à un minimum de bruit. Les matériaux synthétiques conçus à l’échelle nanométrique nous ont permis de porter au maximum le flux de ce courant-signal tout en ramenant le bruit pratiquement à la limite inférieure admise par les lois fondamentales de la physique.

Et demain ? Exploiter l’énergie du soleil

Si nous sommes si attirés par la recherche sur les capteurs, ce n’est pas uniquement pour fabriquer à bon marché des caméras capables de voir dans le noir. Nous rêvons aussi de faire un usage massif de l’énergie solaire.

Le potentiel est sidérant. Les masses continentales de la terre reçoivent chaque jour mille fois plus de soleil que ce que l’humanité entière consomme d’énergie dans toutes ses activités. Si nous pouvions couvrir un centième de la surface terrestre avec des photopiles ayant un rendement de conversion de 10 pour cent, nous disposerions en abondance d’une énergie aussi propre que puissante.

Les photopiles à polymère d’aujourd’hui ne convertissent en électricité qu’un faible pourcentage de l’énergie captée. Entre autres difficultés pour les rendre plus efficaces, il s’agit de trouver comment exploiter au maximum le spectre entier de la lumière solaire. Près de la moitié de l’énergie du soleil nous est « invisible », cachée dans les longueurs d’onde qui échappent à notre œil en deçà du rouge : les infrarouges. Les cellules photovoltaïques à polymère qui absorbent le spectre visible n’exploitent qu’une partie de l’énergie disponible. Toutefois, notre groupe a montré récemment qu’il était possible de traiter en solution des photopiles à infrarouge et d’obtenir rapidement un rendement plus élevé. Un an et demi après notre premier rapport, nous en sommes à un facteur de 20-40 d’exploiter les rayons infrarouges avec assez d’efficacité pour augmenter sensiblement le rendement global des photopiles à polymère. Nous travaillons actuellement à combler l’écart restant.

La nanotechnologie nous dévoile chaque jour un peu plus de sa beauté, mais aussi de son pouvoir d’améliorer nos vies. Grâce à des nanoparticules convenablement appliquées sur une puce, nous traquons la lumière avec une précision chirurgicale, jusque dans ses replis infrarouges. Bref, nous levons le voile de l’obscurité.

Avec une promesse aussi formidable, celle d’une énergie propre et sûre, captée à cette source par excellence qu’est le soleil, la nanotechnologie est une danse qu’il vaut la peine d’attendre.

À lire :

Initiation à la nanotechnologie :
Ted Sargent, The Dance of Molecules: How Nanotechnology is Changing Our Lives, Penguin, 2005.

Travaux de l’équipe du professeur Sargent à l’Université de Toronto :
http://www.light.utoronto.ca (Site anglophone).

Documents cités dans cet ouvrage :
Gerasimos Konstantatos, Ian Howard, Armin Fischer, Sjoerd Hoogland, Jason Clifford, Ethan Klem, Larissa Levina, Edward H. Sargent, “Ultrasensitive solution-cast quantum dot photodetectors”, Nature, vol. 442, pp. 180-183, 2006.

S. A. McDonald, G. Konstantatos, S. Zhang, P. W. Cyr, E. J. D. Klem, L. Levina, E. H. Sargent, “Solution-processed PbS quantum dot infrared photodetectors and photovoltaics”, Nature Materials, vol. 4, no. 2, pp. 138-142.

Les idées et les points de vue exprimés dans cette chronique ne sont pas nécessairement ceux de la Fondation canadienne pour l’innovation, de son conseil d’administration ni de ses membres.