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Presentation de Pascal Royer

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  • 1. La prochaine révolution industrielle ? Les nanotechnologies : sources d’innovation pour les entreprises Pascal ROYER Laboratoire de Nanotechnologie et d’Instrumentation Optique (LNIO ) Université de technologie de Troyes UTT / ICD / CNRS / CEA [email_address]
  • 2. Les nanotechnologies : - Introduction - (film, échelle dimensionnelle, nano/microélectronique, top down / bottom up) - Principes et concepts - Historique - Objectif ultime - L’état des recherches aujourd’hui - Les techniques de fabrication - Exemples d’applications - Ethique - Toxicité des nanomatériaux - Quelques éléments de marché - Nanotechnologies et PME (outils disponibles)
  • 3. INTRODUCTION - film, échelle dimensionnelle, nano/microélectronique, top down / bottom up) - Principes et concepts - Historique - Objectif ultime - L’état des recherches aujourd’hui - Les techniques de fabrication
  • 4. 10 mn
  • 5. 5mn40
  • 6.  
  • 7.  
  • 8. Un nanomètre, c’est environ : • 500 000 fois plus fin que l'épaisseur du trait d’un stylo à bille ; • 30 000 fois plus fin que l’épaisseur d’un cheveu ; • 100 fois plus petit que la molécule d’ADN ; • 4 atomes de silicium mis l'un à côté de l'autre. Même différence de taille entre un atome et une balle de tennis qu’entre une balle de tennis et la terre
  • 9.
    • inalement, un des points fondamentaux de la maîtrise de la nanotechnologie est donc la création d'une machine de taille moléculaire, capable de se dupliquer elle-même….
    • ais aussi de fabriquer d'autres structures
    • Cette machine est appelée " un assembleur "
    L ’échelle du nanomonde à partir du monde du vivant et des produits fabriqués par l ’homme Comment fabriquer des nanocomposants ? On assemble la matière atome par atome On part d ’un matériau qu ’on découpe, puis qu ’on sculpte,...
  • 10. Aujourd ’hui, on fabrique des micro-processeurs de 1 cm 2 de surface et contenant 50 millions de transistors (inventé en 1948 par lab. Bell - Nobel en 1956) : la surface moyenne d ’un transistor est actuellement de 1 μm 2 et la finesse des motifs réalisés par photolithographie atteint 50 nm. L ’histoire récente de la microélectronique nous amène au seuil des nanosciences
  • 11. 1 cm (le 1 ier en 14/12/47) 20 nm / en 2005 / INFINEON 1 μ m / années 2000 En 60 ans, diminution de la taille d’un facteur 100 000
  • 12. Le coût de fabrication des transistors sur une puce a baissé de façon spectaculaire : en 1973, le prix d’un million de transistors intégrés équivalait à celui d’une maison, en 2005, il était celui d ’un post-it. Evolution du coût de fabrication d ’un million de transistors en 30 ans
  • 13. Historique / quelques dates clefs
    • - 1948 :
    • Invention du transistor (Nobel en 59 : Bardeen, Brattain,
    • Shockley)
    • - 1959 :
    • Invention du circuit intégré (Kilby / Texas Instrument,
    • Nobel en 2000 )
    • Discours de Feynman sur la nanotechnologie !!
    • (Nobel de physique en 1965)
    • 1985 :
    • Les nanotubes de carbone (R. Smalley : prix Nobel de Chimie)
    • - 1986 :
    • Microscope à effet tunnel STM (Binnig et Rohrer : prix
    • Nobel de physique)
  • 14.
    • inalement, un des points fondamentaux de la maîtrise de la nanotechnologie est donc la création d'une machine de taille moléculaire, capable de se dupliquer elle-même….
    • ais aussi de fabriquer d'autres structures
    • Cette machine est appelée " un assembleur "
    OBJECTIF ULTIME DE LA NANOTECHOLOGIE
  • 15. EXERCICE 10 18 = un trillion
  • 16. Exemple : Prenons un diamant d’un carat : il contient dix milliards de trillion (10 18 ) d’atomes Un robot capable de manipuler 10 millions d’atomes / s mettrait 32 millions d’années ! pour le fabriquer Toutefois si le robot peut s’auto dupliquer (molécule par molécule) en 15 mn et que chaque nouveau robot reproduise le processus, au bout de 14 h, nous aurons alors 1 million de milliards de robots !, ensemble ils construiront alors le diamant en dix secondes !
  • 17. Auto-réplication à l’image des organismes vivants
  • 18. CE TYPE DE MICROSCOPIE A SONDE LOCALE EST A L ’ORIGINE DES NANOTECHNOLOGIES (d’un point de vue de l’imagerie et de la manipulation à l’échelle atomique) Aujourd ’hui, quel est l ’état des recherches ? Début des années 80, premier système permettant l ’observation et la manipulation d'atomes à l'échelle individuelle : invention du STM (Scanning tunneling Microscope ou Microscope à effet tunnel) (Binnig et Rohrer - Nobel 86 - IBM Zurich)
  • 19. Les nouvelles microscopies à l’origine des nanotechnologies STM, AFM, SNOM,…. STM : Scanning Tunneling Microscope / Microscope à effet tunnel électronique AFM : Atomic Force Microscope / Microscope à forces atomiques SNOM : Scanning Near Field Optical Microscope / Microscope à balayage en champ proche optique
  • 20. Possibilité d’imager des surfaces à l’échelle atomique : Principe du microscope à effet tunnel électronique : STM Atomes de silicium
  • 21.  
  • 22. Arrangement d’atomes de fer sur substrat de cuivre Manipulation d’atomes par STM
  • 23. Microscopie à forces atomiques Images : - de sondes AFM (à gauche) - d’hélice d’ADN - bits d’un DVD
  • 24. Topographie Différents types de sondes pour microscopie à forces atomiques et pour microscopie optique à sonde locale
  • 25. Les techniques de fabrication de nanoobjets / nanostructures Technologie « top down » = descendante Technologie « bottom up » = ascendante
  • 26. Les techniques «  top-down (descendante)  » de lithographie optique, électronique , de gravure, de faisceau d’ions focalisé permettent de fabriquer des structures de quelques dizaines de nm de taille à partir d’un matériau massif de dimension micro/macro Comment fabriquer des nano-objets?
  • 27. (Le taureau de S. Kawata – Japon) Taille (L x H) : 10 x 7 μ m 2 (taille équivalente à celle d’une cellule de sang) Objectif : démontrer la possibilité de concevoir et réaliser de futurs nano/micro objets/machines capables d’explorer le corps humain Principe : micropolymérisation à 2 photons (Le volume lumineux créé à l’intersection de 2 faisceaux lasers envoyés sur un réservoir de résine polymère photosensible solidifie localement la résine Nanophotolithographie
  • 28. L ’auto-organisation : «  bottom-up (ascendante)  » : les molécules ayant une terminaison spécifique (en jaune) s ’attachent au substrat et s’ordonnent Analogie à la formation de la buée sur les vitres : en se condensant, la vapeur d’eau crée des milliers de gouttelettes réparties régulièrement sur la vitre Le substrat est une nanostructure préconstruite
  • 29. EXEMPLES D’APPLICATIONS DIVERSES DES NANOTECHNOLOGIES
  • 30. Le domaine du médical
  • 31. Traiter le cancer…avec les nanotechnologies Des nanoparticules de taille équivalente à l’ADN : des interactions et des fonctionnalités à cette échelle sont donc envisageables
  • 32. Des nanocristaux semi-conducteurs comme marqueurs fluorescents pour l’imagerie in vivo, des nanotubes de carbone et des nanoparticules pour le traitement ciblé du cancer Les couleurs verte, jaune et rouge sont émises par des nanocristaux de tailles différentes localisés sur différents organes de la souris Destruction thermique de tumeurs cancéreuses par excitation IR de NTC Nanoparticules se fixant sur une tumeur en utilisant l’hyperméabilité des vaisseaux proches d’une tumeur
  • 33. Des nanoparticules pour se débarrasser de l’arsenic Représentation des nanoparticules de magnétite (en rouge) se liant avec l’arsenic dans l’eau. (Rice University) Des chercheurs espèrent pouvoir mettre à la disposition des pays en développement une méthode simple et peu coûteuse pour nettoyer l’eau contaminée par l’arsenic . Des nanoparticules de magnétite, un oxyde de fer, et des aimants ordinaires permettent de se débarrasser de ce poison inodore et incolore. La consommation régulière d’eau contaminée par l’arsenic se manifeste par de graves maladies : - des problèmes de pigmentation dans un premier temps, - des cancers du poumon, de la vessie ou de la peau à plus long terme.
  • 34. Le stent : gaine nanoporeuse empêchant les molécules de graisse d’adhérer aux artères
  • 35. Nanorobot (conçu sur le modèle de certaines bactéries) : Les bactéries se propulsent à l’aide d’un flagelle (filament faisant office d’hélice). Elles possèdent un moteur moléculaire de 25 nm de taille qui fait tourner la flagelle à 18 000 trs / mn d’où un déplacement pour une bactérie de taille moyenne de 30 000 nm / s Un « nanorobot chirurgien » en préparation à l’Université de Monash en Australie (épaisseur de 250 μ m équivalente à la taille de 2 cheveux) . Il devrait pouvoir voyager à l’intérieur du corps humain afin de prendre des photos, délivrer des médicaments en des points précis de l’organisme et même effectuer des tâches de micro-chirurgie. Il sera télécommandé et pourra se déplacer au sein des artères et entrer dans des organes comme le coeur
  • 36.  
  • 37. Le vaccin à ultrasons pour les poissons : aux USA, vaccination de masse par ultrasons : - des nanocapsules contenant de minces fibres d’ADN sont déposées dans un étang où elles sont absorbées par les cellules des poissons. Les ultrasons sont ensuite utilisés pour rompre les capsules qui libèrent ainsi l’ADN et provoquent une réponse immunitaire chez l’animal.
  • 38. Le domaine des biotechnologies : nanobiotechnologies
  • 39. Le laboratoire sur puce (« lab-on-chip ») (Technologie microfluidique appliquée à l ’analyse médicale) Réduction : - du volume des prélèvements, - de la consommation de réactifs, - du temps et du coût des analyses Utilisation d’un réseau de microcanaux et microréservoirs gravés sur le verre ou des chips de polymère pour construire des mini-laboratoires. La pression ou des forces d'électrocinétiques déplacent des volumes en pico litre de manière contrôlée par les canaux. Le laboratoire- sur-puce permet le traitement d'échantillons, le mélange, la dilution, l’analyse et l’identification d’espèces biologiques,…
  • 40. Biopuce à ADN Structure de la molécule d ’ADN : L ’identité de chaque individu, ses caractéristiques génétiques, sa prédisposition à certaines maladies, sont déterminés par l ’ordre dans lequel les 3 milliards de bases contenues dans chaque brin se succèdent (séquences) : cet enchaînement forme le code génétique (30 000 gènes) unique à chaque individu .   La biopuce à ADN ADN : 2 brins enroulés en forme d ’hélice Microcuvettes gravées sur verre ou Si. On accroche un fragment d ’ADN sonde (une séquence de bases d ’ADN) sur chaque microcuvette caractéristique d ’un gène, d ’une mutation ou d ’une maladie 2500 microcuvettes
  • 41. Prototypes de laboratoires sur puce
  • 42. Hybridation : vivant + nano/microélectronique
  • 43. Contrefaçon des médicaments : marquage chimique incorporation de traceurs nanométriques à faible concentration dans le médicament pouvant être ensuite dosés par des kits de tests authentifiés par le fournisseur Toutefois nécessité de prouver l’innocuité du marqueur au cours de son absorption
  • 44. Le domaine des technologies de l’information et de la communication (Miniaturisation et intégration dimensionnelle )
  • 45. Les cristaux photoniques permettent à l’instar des ailes de papillon de contrôler la propagation de la lumière selon les propriétés optiques des matériaux utilisés et la géométrie de l’arrangement périodique, certaines couleurs pourront être soit transmises, soit réfléchies (phénomène de diffraction)
  • 46. Guides optiques intégrés dans du silicium Image optique Boucle optique intégrée dans un substrat de silicium pouvant être utilisée pour la spectrométrie optique intégrée Cheveu
  • 47. Nécessité de composants intégrés : - pour la micro/nanoélectronique, - pour les télécommunications optiques TIC : domaine de l’informatique, des télécommunication et du multimédia
  • 48.                           T o ut cela est permis par le CyberDisplay de Scalar : c'est en fait un écran à base de nanotechnologies d'une diagonale d'un demi-centimètre à matrice active - Résolution de 180.000 pixels. Et le tout pèse ... 5 grammes. La vidéo dans vos lunettes Le « teleglass » Vous regardez en mobilité de la vidéo venant d'un DVD portable, d'un téléphone sans fil, d'un PDA wifi/wimax, d'une caméra digitale, etc... Teleglass vous crée un écran virtuel situé à 2 mètres de votre oeil, avec une diagonale de l'ordre de 50 centimètres.
  • 49. Détection par réseau de nanocapteurs pulvérisés dans l’air ou incorporés dans les matériaux (peinture, textiles), formant un réseau communicant capable de recevoir, traiter et transmettre des données. De nombreux secteurs sont intéressés : - le militaire et le civil (bioterrorisme) : détection de substances chimiques et bactériologiques, détection des mouvements de l’ennemi, - la protection civile contre le bioterrorisme, - l’environnement : surveillance de la qualité de l’air, - la médecine : surveillance médicale à distance, - le génie civil : détection de l’usure des matériaux « La poussière électronique »
  • 50.  
  • 51. Le domaine de l’énergie et du transport
  • 52. Applications énergétiques : - cellules photovoltaïques : Le prix élevé des cellules solaires limite actuellement le déploiement de l’énergie solaire. L’utilisation des nanotechnologies pourrait diminuer de façon importante leur coût de production (technologie CIS*, peinture photovoltaïque contenant des polymères**,…) - amélioration des matériaux d’isolation, - piles à combustibles : Economie de l'hydrogène : les nanotechnologie pourraient contribuer à résoudre le problème du stockage de l’hydrogène. Les spécialistes estiment cependant que 40 ans seront nécessaires au déploiement de cette technologie qui a comme principal avantage d’éliminer toutes les émissions nocives par rapport aux autres moteurs à combustion interne. - Additifs de carburant : Des nanoparticules utilisées comme additif de carburant peuvent augmenter l'efficacité des carburants des moteurs diesel d’environ 5 %.
  • 53.  
  • 54. * La société Nanosolar ( appuyée financièrement par les fondateurs de Google) envisage de construire la plus grande usine de fabrication de cellules solaires au monde technologie CIS : Cuivre – Indium – Sélénium / techno peu gourmande en matériaux (une simple couche de 1 μ m d’épaisseur d’éléments actifs) de fabrication et facilement adaptable aux supports flexibles rentabilisation de la production, baisse du prix du kWh ** : la fabrication d’un kg de peinture contenant des cellules solaires nanoscopiques (polymères photovoltaïques) coûte 1$ de matière première et 4 $ d’énergie. On peut alors recouvrir les routes avec une couche de peinture épaisse de qq 10 -3 mm au prix d’une dizaine de centimes / m 2 , chaque m 2 peut transformer suffisamment d’énergie solaire en électricité pour fabriquer un autre m 2 de peinture en moins d’1 semaine
  • 55. Le domaine des matériaux
  • 56. En général 3 grandes familles de nanomatériaux : - les nano-objets (nanoparticules, nanofibres,…) - les matériaux nanostructurés en surface - les matériaux nanostructurés en volume Changement des propriétés physiques d’un matériau lorsqu’on passe de l’état massif à l’état nanométrique caractéristiques inédites permettant des innovations de rupture dans de nombreux domaines
  • 57. Surface d’une feuille de lotus Surfaces autonettoyantes : effet lotus Surface artificiellement nanostructurée
  • 58. Textiles hydrophobes : imperméabilisation par nanostructuration des fibres
  • 59. Le gecko au secours de la technologie : robotique et combinaison de spiderman SETA
  • 60. En remplaçant dans les vernis les classiques molécules polymères par des réseaux à base de nanoparticules de céramique, on peut tripler leur résistance à la rayure, prolongeant d'autant l'éclat de la peinture Certains constructeurs voient déjà beaucoup plus loin, en concevant des peintures qui englobent de microscopiques cellules solaires : la carrosserie pourrait alors recharger la batterie quand la voiture est à l'arrêt Des peintures pourraient changer de couleur en fonction de l’éclairage La manipulation atomique permet aux industriels de faire des miracles. La preuve : des peintures de voiture hyperrésistantes aux rayures
  • 61. Des nanoparticules viennent enrober les fibres afin de rendre le tissu le plus dense possible. Il en devient imperméable à l'eau et au gras.   La société américaine Nano-Tex, spécialiste de l'utilisation des nanotechnologies pour améliorer les propriétés des textiles, s'est déjà diversifiée dans le tissu d'ameublement. Les possibilités sont multiples puisque le textile trouve des applications dans de nombreux secteurs industriels Des vêtements jamais tachés... le rêve ! Une utopie devenue réalité grâce au traitement nano-technologique des textiles.
  • 62. Kodak n'en est pas à son coup d'essai : en 2003, la société a largement investi dans Nanosys, start-up californienne à la pointe des nanotechno. Le spécialiste de la photographie espère bien étendre ces innovations à tous les produits liés à la photographie numérique : imprimantes et encres pour photos. Ce papier a été conçu pour résister à tout ce qui est susceptible de l'abîmer au cours du temps : lumière, pollution, humidité ou encore chaleur. Un film protecteur de nanoparticules de céramique revêt le papier et le protège des agressions extérieures.
  • 63. L'objectif poursuivi est sensiblement le même que pour le papier photo : rendre les surfaces imperméables et inattaquables par la pluie, la boue, la neige, le gel, la poussière... Il ne s'agit pas cette fois d'appliquer un film gras anti-adhérent sur la voiture, mais de déposer des nanoparticules Directement sur le matériau. La nano-vitrification assure des conditions de visibilité optimales et simplifie le nettoyage.   Relativement courante dans le secteur automobile, cette technologie peut Être utile pour traiter des meubles, des matériaux de construction, des laques... Un bouclier invisible pour la voiture
  • 64. Cette propriété de l'oxyde d'argent, connue depuis des centaines d'années, trouve une nouvelle jeunesse avec les nanotechnologies, qui permettent de l'incorporer à de nombreux objets et surfaces. Elle est également utilisée dans certains claviers et dans le téléphone mobile SPH-V6500 de Samsung. Disposant d'un revêtement de nanoparticules de dioxyde de titane et d'argent, cette souris détruit les bactéries et virus susceptibles de résider à sa surface.
  • 65. La marque de cosmétiques japonaise Shiseido a ajouté du dioxyde de titane photochromique à certains de ses fonds de teint afin de limiter l'effet "plâtre". Le produit adapte sa couleur à l'intensité des UV, grâce à des substances capables d'émettre une lumière colorée lorsqu'ils sont stimulés. De son côté, L'Oréal a opté, entre autres, pour les nanosomes de Pro-Rétinol A+ pour sa crème anti-rides, qui sont des nano-véhicules permettant de venir loger les vitamines au plus profond de la peau. En 2005, L'Oréal était la sixième entreprise détentrice de brevets de nanotechnologies aux Etats-Unis (au nombre de 192). 600 millions de dollars ont été alloués à la recherche sur les nano, soit 3,5 % de son budget global.
  • 66. Comme il est également souple et possède des propriétés thermiques, ce matériau est particulièrement prisé des sportifs : on en trouve déjà dans les raquettes et les balles de tennis, mais aussi les clubs de golf, les cadres de vélo, les skis, les carrosseries de Formule 1 ou... les boules de bowling. Les nanotubes de carbone sont le fer de lance des nanotechnologies. 100.000 fois plus fin qu'un cheveu, un nanotube de carbone est 100 fois plus résistant et 6 fois plus léger que l'acier. Ce qui en fait le matériau le plus solide jamais construit.
  • 67. Les nanotubes de carbone : matériaux du 3 ième millénaire? C 60 NTC Molécule C 60 (Φ = 0,7 nm) 1985 prix Nobel de chimie: R. Smalley / R. Curl and H. Kroto Les NTC : Nanotubes de Carbone
  • 68. NTC : NanoTubes de Carbone : S. Iijima les observe le premier en 1991 au microscope électronique
  • 69. Diamètre d’un NTC : de 1 à 10 nm Longueur : plusieurs microns (1 micron = 1000 nm) Quelques ordres de grandeurs des NTC X 250 X 4500 X 20 000 Images de NTC obtenues au MEB
  • 70. Four solaire d’Odeillo de 1000 kW de puissance thermique pour 900 W/cm 2 3400 K qq 100g/h Energie solaire
  • 71. D’extraordinaires propriétés thermiques, électroniques et mécaniques Le NTC est 100 fois plus résistant et 6 fois plus léger que l ’acier En fonction de l ’angle d ’enroulement du feuillet de graphite, le NTC peut être : - un excellent conducteur d ’électricité, - un semiconducteur - un isolant La fibre de carbone est très fragile alors que le NTC peut s’enrouler, se tisser (cohésion atomique parfaite) Les NTC sont déjà incorporés dans des raquettes de tennis, des clubs de golf, des cadres de vélo, des carrosseries de formule 1,…
  • 72. Les NTC conducteurs peuvent être utilisés dans la fabrication de nanofils électriques qui pourront servir de nano-électrodes dans les écrans plats de télévision et d’ordinateur. Dans chaque pixel d ’écran plat, on dépose en vrac des NTC conducteurs. Ceux qui sont orientés perpendiculairement à la surface de l ’écran servent de nano-électrode. Un câblage de NTC supporte des densités de courant 1000 fois supérieures à celle du cuivre Une potentialité d’applications diverses et variées
  • 73.
    • - Revêtement thermique pour l’aérospatiale, les NTC résiste à des T°
    • extrêmes atteintes lors du passage dans l’atmosphère
    • - Transistor moléculaire - nano-fil conducteur pour l’électronique
    • Surface hyper adhésive en tapissant une surface polymère de
    • « poils » de NTC
    • - Engrenage moléculaire (NASA)
  • 74. Chez Honeywell, projet de réalisation d’un muscle artificiel en NTC développant une force 10 x sup. à un muscle humain et bien plus résistant allongement et contraction par stimulation électrique Cette propriété mécanique étant réversible, en étirant mécaniquement les NTC, production d’électrons donc d’électricité, d’où l’idée d’utilise la déformation par le vent de grands drapeaux tissés en NTC remplaçant les pales d’éoliennes pour fournir de l’électricité A plus long terme :
  • 75. NASA : projet d’ascenseur de l’espace câble reliant la terre à un satellite géostationnaire à 36 000 kms d’altitude Et pourquoi pas……..
  • 76. Les problèmes - pouvoir fabriquer de façon contrôlée (exemple de l’hélicité dont les propriétés électroniques dépendent,...) et purifier les NTC en masse, - bien connaître leurs propriétés physico-chimiques, - pouvoir conserver les propriétés mécaniques des NTC (rigidité et résistance à la rupture) à l’échelle macro.
  • 77. Quelques exemples : - textiles insalissables recouverts d'une pellicule de nanoparticules d'argent, - verres autonettoyants sur lesquels ont été déposés des couches minces d'oxyde de titane - dentifrice aux nanoparticules de phosphate de calcium qui comblent les minuscules fissures des dents Plus de 300 produits "nanos" sont déjà sur le marché
  • 78. Le domaine de l’agroalimentaire
  • 79.
    • Dans le domaine du conditionnement :
    • Systèmes de conditionnement intelligent afin de mieux protéger les aliments et d’en améliorer les modes de contrôle, ceci faciliterait leur traçabilité depuis l’exploitation agricole jusqu’à l’assiette du consommateur
    • L’utilisation de nanoparticules dotées de propriétés antimicrobiennes et de surfaces à même de repousser les poussières
    • L’utilisation de nanocapteurs pouvant détecter d’infimes quantités de molécules chimiques telles que celles que libère un aliment lorsqu’il commence à se dégrader. Par un simple changement de couleur, le consommateur pourrait être alerté
    • - Matériaux basés sur des fibres plus résistantes les rendant capables de concurrencer les matériaux plastiques en terme de performance et de fonctionnalités grâce de meilleures propriétés barrière, à la diminution du grammage et l'introduction d'interactivité
    • - Contrefaçon : nanostructuration des emballages ou incrustation de nanoparticules détectables optiquement (changement de couleur par réseau de diffraction, fluorescence de marqueurs / traceurs)
  • 80. En agriculture : Les nanotechnologies promettent de réduire l'utilisation de pesticides et l'amélioration des cultures et de l'élevage. Une étude récente faite par Cientifica montre qu'il y a déjà 150 applications des nanotechnologies dans l'industrie agroalimentaire, principalement dans les grands groupes tels que : Nestlé, Kraft, Heinz et Unilever.
  • 81. Le domaine militaire
  • 82. Le domaine militaire - La DARPA (l'agence Américaine de recherche militaire) réalise actuellement une nouvelle classe de drones appelés M.A.V. (Micro Air Vehicules). Ces drones inspirés de la morphologie des oiseaux n'auraient qu'une envergure de 15 cm et un poids de 50 grammes, soit pas plus gros qu'un moineau. - Les nanoadhésifs : nanobande pour paralyser les pistes de terrain d ’aviation et nanocolle pour bloquer tous les systèmes mécaniques - la guerre bactériologique et chimique - la gelée grise Michael Crichton « la proie » http://www.cea.fr/fr/sciences/Nanosciences_AgeOr_Apocalypse.pdf
  • 83.  
  • 84.  
  • 85. Le domaine spatial
  • 86.  
  • 87.  
  • 88. Nanotechnologies et éthique Toxicité des nanomatériaux (risques sanitaires et environnementaux)
  • 89. Des questions : - Quels sont les risques potentiels pour la santé et l’environnement ? - A quelles fins les nanotechnologies pourront être utilisées ? - Qui y aura accès ? - En établissant un lien entre l’inerte et le vivant, entre notre corps et les machines, les nanotechnologies ne pourraient - elles pas, à terme, mettre en danger l’identité même de l’être humain ? Voire d’échapper à son contrôle ? Ces questions ont été récemment saisies par : le COMETS : comité d’éthique du CNRS, le CCNE : Comité consultatif national d’éthique le Comité Européen d’Ethique Les « pro » nanos perçoivent les NT comme un véritable progrès pour l’humanité. Elles devraient pouvoir répondre au triple défi du développement durable : comment alimenter la croissance économique tout en préservant l’environnement, et en même temps améliorer la sécurité et la qualité de vie des citoyens Les « anti » nanos les perçoivent comme un signe annonciateur de la destruction prochaine de l’humanité. Scénario catastrophe de la « gelée grise* » : la biosphère serait détruite par des robots s’auto reproduisant hors de tout contrôle (« écophagie »).
  • 90. Les NT ont la particularité de nous donner la faculté de pouvoir partager et multiplier le recueil de l’information : que fera t-on de cette incroyable masse de données, donc problème de son contrôle et de son portage Exemple d’application pouvant porter atteinte à la vie privée : - puces RFID (Radio Frequency identification) C’est pourtant déjà le cas avec le téléphone portable et pourtant… Usage à des fins militaires : nouvelles armes et instruments furtifs, capteurs et émetteurs miniatures donnant les moyens de démultiplier les moyens d’acquisition et de transmission de l’information Afin d’éviter un détournement des usages des nanoproduits, pouvant mettre en danger la liberté du citoyen, la mise en place de moyens de contrôle réglementaire ou juridique apparaît nécessaire. * : scénario catastrophe de la « gelée grise » : la biosphère serait détruite par des robots s’auto reproduisant hors de tout contrôle (voir le livre paru en 2003 par Michael Crichton intitulé « la proie »)
  • 91. Toxicité des nanomatériaux : - problème de l’infiltration des nanopoudres / nanoparticules dans les poumons, - traversée des barrières épidermiques et oculaires, - inhalation,… - Eparpillement dans l’environnement ou l’écosystème Programmes (NANOCAP – NANOSAFE) de recherche sur la maîtrise des risques sanitaires et environnementaux liés à la production et l’utilisation de nanoparticules : - métrologie (caractérisation des propriétés physico-chimiques, nombre et morphologie des nanoparticules) - risque d’incendie et d’explosion - expologie (carcatérisation des expositions) - toxicologie : in vitro (toxicité pulmonaire et neurotoxicité), in vivo et in silico (travaux de modélisation) - écotoxicologie
  • 92. Mais les risques ne sont pas nouveaux : T ous les jours on absorbe des nanoparticules : fumée, poussière, gaz c’échappement. En milieu urbain on compte entre 10 et 20 millions de particules au moins de 100 nm par litre d’air. De nombreuses nanoparticules sont depuis longtemps utilisées dans divers produits : - le noir de carbone utilisé comme pigment (encres), comme agent de renforcement (pneus), comme isolant de la lumière (emballage), - le TiO2 comme pigment blanc dans les peintures et les encres, comme filtre anti UV dans les crèmes solaires, - le ZnO, le SnO2 déposé sur les puces de silicium, - les nanoparticules de silice pour le pneu vert,…. La nano auront au moins l’avantage de se poser les questions qui n’ont pas été posées dans le cas de l’amiante, des OGM, …
  • 93. Quelques chiffres et éléments de marché
  • 94. En 2001, la National Science Foundation (USA) déclare que le marché des nano serait de 1 000 milliards de $ en 2015 , puis surenchère des sociétés de conseil et d’investissement 3 000 milliards de $ d’ici 8 ans d’après Michael Berger de Nanowerk : «  Ne pas confondre : les nanotechnologies « évolutionnaires » améliorant des produits ou processus existants en y insérant des composants plus petits, ou bien en exploitant les possibilités offertes par la matière à l’échelle nano (Nokia, L’Oréal, Toshiba, BMW, Bayer,…) et les nanotechnologies « révolutionnaires » (n’ayant actuellement aucune perspective financière) visant à fabriquer atome par atome ou molécule par molécume, systèmes, outils et produits. »
  • 95.  
  • 96.  
  • 97. D’après Yole développement / Lyon, le marché mondial des nanoparticules et des nanotubes de carbone est estimé à plus de 2,5 milliards d’€ d’ici 2010. Il est prévu une croissance de plus de 20% / an pour les années à venir
  • 98. En 2006, environ 10,6 milliards de $ ont été injectés dans la R&D sur les nanotechnologies dans le monde (dépenses publics + investissements des entreprises) Au niveau de la recherche académique, USA, Japon et Europe sont pratiquement à égalité Aux USA, Washington a alloué aux Universités : - 464 millions de $ en 2001 - 989 millions en 2004 - probablement 1,5 milliards de $ en 2008 Dans le domaine industriel : Les USA dominent avec 46% des dépenses de R&D mondiale. Actuellement, l’effort en R&D des industriels américains est d’environ 2 milliards / an C’est le point faible de l’Europe : l’effort de R&D des industriels européens ne représente que 17% de l’effort mondial (36% pour l’Asie)
  • 99. L’Allemagne (3 ième financeur mondial de la R&D) abrite la moitié des entreprises européennes du secteur. Environ 600 entreprises et institutions publics emploient 50 000 personnes et détiennent les 2/3 des brevets européens En France , les investissements publics progressent d’environ 10% / an (277 millions d’€ en 2005) En 2005, lancement par l’ANR d’un programme prévoyant d’injecter chaque année par le biais du R3N 70 millions d’€ En revanche, la recherche industrielle reste limitée à quelques grands groupes, les PME / PMI étant presque inexistantes Europe - 7 ième PCRD (2007 – 2012) : les laboratoires sélectionnés se partageront environ 3,4 milliards d’€ Autres pays acteurs des nanotechnologies : - La Chine injecte environ 100 millions de $ / an - La Corée du Sud : 260 millions de $ / an - Taiwan annonce un programme injectant 110 millions de $ / an pour les 6 prochaines années
  • 100.  
  • 101. On ne peut pas ignorer cette nouvelle technologie et ses nombreuses potentialités industrielles, mais…. … gare à la « bulle » nano, la prudence est de mise ! De plus aujourd’hui* : - Le grand public est peu informé (acceptation des nanotechs ? – débat public) - Manque de personnel compétent – peu de formation adaptée : champ d’investigation pluridisciplinaire à l’interface de la physique, de la chimie et de la biologie - Protection de la PI insuffisante - Les aspects toxicité et éthique ne sont que récemment abordés (réglementation pratiquement inexistante, manque pouvant poser problème quant à l’industrialisation des résultats de la nanotechnologie) - Les premiers travaux sur la normalisation débutent seulement - Hésitation des compagnies d’assurance à couvrir ces technologies et les - risques afférents *Tiré d’un article de Cordis suite Euronanoforum (juin 2007) ayant eu lieu à Düsseldorf
  • 102. Nanotechnologies et PME
  • 103. Les acteurs français : - surtout des grands groupes : EADS, Rhodia, Michelin, L’Oréal, Atofina, Saint Gobain, Ait Liquide, Snecma, ST Microelectronics, Biomérieux,… - Quelques PME / PMI : DGTec, Alchimer, Inanov, LovaLite, Praxim, Avertec, Ademtech,…
  • 104. METIS : un exemple réussi de collaboration industrie (PME) / recherche publique (CEA) «  Rien ne prédisposait les laboratoires de pointe du CEA à Grenoble et des PME du textile ou de la papeterie, des activités implantées historiquement au nord du département de l’Isère, à se rencontrer. La plate-forme expérimentale METIS, Lancée à l’initiative du Conseil Général, de l’AEPI et de la ville de Bourgoin-Jallieu, parie sur ce rapprochement audacieux pour favoriser la diffusion des micro et nanotechnologies au coeur de ces industries » Une initiative nord Isère (5 entreprises + CG 38) : METIS (un incubateur de projets) démocratise les nanotechnologies : une association réunissant industriels ayant une vraie culture d’innovation (secteurs du textile et du papier) et chercheurs du CEA facilitant l’accès des PME aux nanotechnologies Structure visant à favoriser l’émergence de projets technologiques concrets par la mutualisation des investissements METIS identifie les thématiques porteuses, défriche un sujet, et une fois les verrous technologiques levés et la faisabilité montrée, les PME mènent le projet à son terme Pas de concurrence entre les sociétés mais des complémentarités, donc pas de problème de confidentialité autorisant un vrai dialogue et une réelle synergie
  • 105. METIS : Une structure de transfert : - 3 chercheurs salariés permanents - une quinzaine de chercheurs du CEA dont 1attaché exclusivement à METIS - 6 partenaires industriels de secteurs traditionnels (5 PME/PMI de 40, 600, 820, 140, et 165 employés + groupe de 8 000 employés) - un budget de 3 millions d’€ / an dont la moitié provient de l’industrie 5 grandes thématiques : - Matériaux / nanomatériaux pour de nouveaux effets visuels ou de nouvelles fonctionnalités (changement de couleur sous contraintes mécaniques, protection aux UV,…) - Traçabilité et lutte contre la contrefaçon - Electronique sur substrats souples autres que le silicium - Instrumentation de substrats souples par des capteurs pour les domaines de la sécurité, de la santé et du sport - Solution de récupération d’énergie sur la personne
  • 106. En tant qu’industriel du textile, qu’attendez-vous du projet METIS? « Nous employons 286 salariés en Isère : 50 % de notre chiffre d’affaires, de 75 millions d’euros, sont réalisés à l’export avec des produits aussi variés que la mode ou les textiles techniques… » « … Le seul moyen pour nous de rester compétitifs face à la concurrence des pays à bas coûts de main-d’oeuvre, c’est l’innovation permanente, un critère essentiel pour trouver de nouveaux relais de croissance. Or une PME de notre taille n’a pas les moyens de financer des contrats de recherche à long terme. Pour nous, travailler avec de grands labos comme le CEA paraissait inaccessible. En nous regroupant avec quatre autres entreprises du textile (Piolat, SIEGL et Filaxetor) et du papier (Arjowiggins), et avec le soutien financier des collectivités locales, nous pouvons initier ce travail en réseau. C’est un fabuleux réservoir d’idées nouvelles qui s’ouvre à nous. Notre objectif est d’arriver d’ici à deux ans à des prototypes commercialisables .» Témoignage : Patrick Bonnefond, Directeur Général de SOFITETA : « bientôt des puces au cœur des textiles et des papiers  »
  • 107. Par exemple ? « On peut imaginer des capteurs intégrés dans le textile qui permettraient de réguler le stress ou la transpiration, ou encore d’utiliser le tissu comme un support pour de l’électronique embarquée. Ainsi instrumenté, le textile autoriserait le suivi de personnes dépendantes à domicile, ou encore celui des colis, et la lutte contre la contrefaçon… Toutes les pistes sont ouvertes. Pour l’instant, un ingénieur détaché du CEA et un chercheur recruté par la plate-forme METIS constituent l’indispensable courroie entre tous les acteurs pour explorer les possibilités entre tous les partenaires. Nous sommes convenus de faire un bilan au bout d’un an et si nos espérances se confirment, une nouvelle phase de deux ans sera engagée »
  • 108. 6mn20
  • 109. Quels sont les outils à la disposition des PME qui souhaiteraient s’investir dans les Nanotechs
  • 110. Au niveau national : Les crédits de la recherche public dédiée aux nanotechnologies sont essentiellement attribués : - directement par l’état (Ministère de la Recherche, Ministère de l’industire): programme Nanosciences et grandes centrales - indirectement via des dotations allouées aux opérateurs publics (CEA, CNRS, INSERM, OSEO ANVAR / DRIRE au niveau régional), aux réseaux de recherche (R3N) et d’innovation technologique - par les collectivités territoriales (CPER,….) - soutien aux initiatives et programmes européens - pour soutenir les activités de recherche dans le cadre de grands programmes, de réseaux, dans les universités et les instituts publics - pour faciliter la diffusion de l’innovation technologique dans l’industrie et promouvoir le développement durable Les PME / PMI peuvent s’adresser essentiellement à OSEO et l’ANRT
  • 111. Pôle MINATEC / CEA Léti / INPG implanté à Grenoble : pôle d’excellence de R&D, de formation et de valorisation de dimension européenne, voire mondiale entièrement dédié aux micro et nanotechnologies regroupant 4 000 personnes (universitaires, chercheurs et personnels des entreprises) sur 45 000 m 2 sur le site du CEA / Léti. (investissement total de 170 millions d’€ : état, CEA et collectivités territoriales) Pôle de compétitivité mondial MINALOGIC en Rhônes-Alpes : budget de 1,2 milliards d’€ pour 65 projets déjà labellisés « une force d’entraînement pour les PME tentées par l’innovation » De nombreux laboratoires français de recherche public (Universités, CNRS, CEA,…) Mènent des travaux dans le domaine des nanotechnologies
  • 112. 6mn
  • 113. L’Europe : le 7 ième PCRDT (2007-2013) (Programme cadre communautaire de recherche et développement technologique) (Industries N° 122 – avril 2007) Volet coopération : 32,4 milliards d’€ dont 3,5 milliards pour les nanotechnologies - Emergence de projets coopératifs de R&D - Projets de R&D à fort contenu technologique fondés sur une collaboration étroite entre des entreprises appartenant à plusieurs états membres Les domaines prioritaires : - ,NTIC : 9,1 - Santé : 6 - Transports : 4,1 - Nanotechnologies : 3,5 milliards d’€ Priorités : - création d’une nouvelle génération de produits et de services induisant une utilisation plus rationnelle des ressources naturelles et dont l’impact sur la santé et l’environnement serait réduit, - domaine des matériaux : mise au point de produits à fonctions multiples dotés de propriétés et de performances nouvelles, - technologies de production : déboucher sur de nouveaux modèles durables de production et de consommation
  • 114.
    • - Energie : 2,3
    • - Alimentation et biotechnologies : 1,9
    • - Environnement : 1,8
    • - Espace : 1,4
    • - Sécurité : 1,3
    • - Sciences humaines : 0,6
    • Nouvelles plateformes technologiques communautaires composées d’acteurs
    • Industriels et académiques,
    • - Programme de recherche ambitieux portant sur des sujets d’intérêt majeur,
    • - Partenariat étroit entre secteur public et secteur privé.
    • + nouveau Volet « capacités »  :
    • - diffusion des travaux de recherche dans l’ensemble du tissu économique
    • européen
    • - Libération des capacités d’innovation au sein des petites et moyennes
    • entreprises
    • Lieux et dates des journées d’information par les représentants français :
    • www.telecom.gouv.fr et http//eurosfaire.prd.fr
    • Portail communautaire : www.cordis.europa.eu
  • 115. Mise en place par le gouvernement français d’un dispositif d’accompagnement à l’intention des PME afin de faciliter leur participation (voir OSEO innovation + les DRIRE dans les régions, voir également le Ministère de l’Industrie) : objectif de faire participer 500 PME / an Passer d’une logique de montage de projet et de recherche de financement à une logique de partenariat et d’insertion dans de véritables réseaux de complémentarité technologique Simplification forte des règles et des procédures de fonctionnement : - Sur le plan financier : les projets pourront bénéficier d’un financement à hauteur de 75% de leur coût total au lieu des 50% autorisés dans l’ancien PCRD - Assouplissement des régles de participation des PME - Lisibilité des documents - Rationalisation des systèmes de financement - Réduction du nombre de démarches - Raccourcissement des délais - Le principe de la responsabilité collective remplacé par un mécanisme de garantie couvrant les risques financiers liés à la défaillance de l’in ou l’autre des partenaires
  • 116. L’enveloppe spécifiquement réservée au PME (1,3 milliards d’euros) : vocation prioritaire de favoriser l’émergence d’une véritable culture de l’innovation Financement de 2 catégories de projet : - projets présentés par un petit groupe de PME innovantes afin de résoudre un problème technologique commun ou complémentaire, - projets émanant d’un groupement de PME en vue de trouver une solution à un problème technique intéressant un grand nombre d’entreprises appartenant çà un secteur d’activités spécifique Point de contact national pour les PME / PMI françaises : Oséo Innovation [email_address]
  • 117. Quelques sites concernant les nanotechnologies en France et en Europe - France : - R3N (Réseau national) http://www.r3n.org/ ou http://www.rmnt.org/ - CNRS http://www.cnrs.fr/saga - Club Nano-Micro Technologies http://www.clubnano.asso.fr/ - ANR http://www.agence-nationale-recherche.fr/ - les C’NANO régionaux (pôles régionaux de laboratoires publics initiés par le Ministère de la Recherche) http://www.cnano-rhone-alpes.org/ http://www.cnanoge.org/ + autres régions - MINATEC – CEA / Leti http://www.minatec.com - OMNT / CEA / CNRS : Observatoire des Micro et Nano Technologies http://www.omnt.fr - Base de données des acteurs français des nanomatériaux http://www.nanomateriaux.org
  • 118. - La cité des Sciences (site général sur les Nanosciences et Nanotechnologies) http://www.cite-sciences.fr/ala_cite/expositions/nanotechnologies/ - NANOMICRO / Portail Nanosciences du Ministère de la Recherche http://www.nanomicro.recherche.gouv.fr/ - En Europe : - Commission européenne / 7ième PCRD / Cordis http://cordis.europa.eu Ne pas hésiter à contacter : Pascal Royer : tel : 06-23-95-00-25 Email : pascal.royer@utt.fr
  • 119. En l ’absence de tension électrique : sur la grille, les électrons, chargés négativement, sont attirés depuis la source vers le drain à travers le canal de conduction situé sous la grille Si l ’on applique une tension négative sur la grille, elle repousse les électrons hors du canal de conduction. Ils ne parviennent plus au drain et le courant est interrompu
  • 120. La loi de Moore : tous les 18 mois, le nombre des transistors sur la surface des puces électroniques double et la taille de leur grille diminue par un facteur 1,3
  • 121. Airbag / accéléromètre
  • 122. Biopuce à ADN Structure de la molécule d ’ADN : L ’identité de chaque individu, ses caractéristiques génétiques, sa prédisposition à certaines maladies, sont déterminés par l ’ordre dans lequel les 3 milliards de bases contenues dans chaque brin se succèdent (séquences) : cet enchaînement forme le code génétique (30 000 gènes) unique à chaque individu .   La biopuce à ADN ADN : 2 brins enroulés en forme d ’hélice Microcuvettes gravées sur verre ou Si. On accroche un fragment d ’ADN sonde (une séquence de bases d ’ADN) sur chaque microcuvette caractéristique d ’un gène, d ’une mutation ou d ’une maladie 2500 microcuvettes