Nano-technologies : Gigarisques à nanoéchelle ?

C. Hocquard, BRGM/EI2D(Merci à Philippe Gentilhomme pour sa relecture)

Eric Drexler a défini les nanotechnologies comme une rupture technologique à l’échelle moléculaire ou atomique . Elles englobent le domaine allant de quelques dizaines à quelques centièmes de nanomètres. Dans les laboratoires, suite aux découvertes des fullerènes (1985) et des nanotubes de carbone (1991, cf. image), les recherches sur les nanotechnologies foisonnent, au point que le préfixe nano envahit maintenant tous les domaines : nanocomposites, nanoélectronique, nanopuces, nanochimie, nanomédecine, etc. Toutefois, il paraît important de bien distinguer d’une part, le moyen terme, avec des applications qui résultent de l’évolution normale et continue de la miniaturisation, marquée par le passage du micro (10^-6) au nano (10^-9) ; et d’autre part, le long terme avec l’avènement de nanotechnologies futuristes comme les nanomachines et autres nanorobots autorépliquants et autoréparables.

Tous les domaines sont concernés par les nanotechnologies, et en premier lieu les matériaux et les métaux. Les impacts indirects liés à leurs interactions avec l’environnement représentent un défi majeur pour les pays développés. En effet, les nanotechnologies pourront être à la fois un vecteur clef de la dématérialisation, mais aussi une importante source de pollution pervasive, compte tenu de la variété des éléments métalliques impliqués.

On notera que point n’est besoin d’attendre cette perspective environnementale peu réjouissante à long terme pour invoquer le principe de précaution. Aujourd’hui déjà, on utilise, de plus en plus de métaux exotiques en quantités infimes sous forme d’alliages nanophasés complexes disséminés dans des composants incorporés dans un nombre croissant de produits d’utilisation courante et à durée de vie souvent limitée. Que sait-on de la toxicité de ces métaux et de leurs alliages, alors que ces derniers sont directement concernés par la prochaine directive sur les produits chimiques de l’UE ? Compte tenu du nombre colossal de composés en jeu, ce défi apparaît si énorme que l’on doute qu’il puisse être respecté à la lettre.

Les aléas liés au développement des nanotechnologies

Les nanotechnologies paraissent si prometteuses qu’on oublie vite les risques associés aux nano-particules. Or, à ces dimensions, les propriétés physiques et chimiques des matériaux changent radicalement. Dans cet esprit, la toxicologie classique de certains métaux/alliages devra être reconsidérée dans le contexte de réactivités chimiques spécifiques aux échelles nanométriques. Quid de l’écotoxicité de films moléculaires à doses infimes et sous forme nanoalliée de produits à base d’As, Co, Te ou autres métaux exotiques ? La manipulation à l’échelle moléculaire peut-elle créer des contaminants ultra-hasardeux ? Des nanocharges sont déjà couramment utilisées, comme les nanoparticules de TiO2  dans les crèmes solaires ou de suie dans les pneumatiques.

La taille des objets et leur production-diffusion massive font que le recyclage n'est ni envisagé ni même envisageable, ce qui devrait générer à long terme une pollution pervasive et accumulatrice. Comment imaginer le recyclage des nanoproduits ? Pourtant, c’est maintenant qu’il convient de l’anticiper car les défis sont énormes : il faudra sans doute oublier l’objectif illusoire de rentabilité du recyclage pour instaurer une écotaxe ad hoc, tandis que l’éco-conception, déjà indispensable, deviendra critique.

On notera que les nanotubes de carbone sont des fibres nanométriques qui ressemblent à des fibres d’amiante au microscope électronique. Il faut cependant tempérer ce type de remarque, car la toxicité des fibres de silicates de Mg n’est pas une simple conséquence de leur morphologie. Ceci dit, la question d’une toxicité potentielle des nanotubes ne peut pas pour autant être éludée.

Pour le futur, on parle même de réplication automatique (avec autoréparation de type ADN) : l’ouvrage de science-fiction de Eric Drexler (1986), "Grey goo" a créé une source d’angoisse, avec des nanorobots qui se reproduisent en se répliquant et finissent par éliminer toute vie sur Terre. Bill Joy, le chef scientifique de Sun Microsystem est effrayé par le risque que des nanorobots utilisés dans le corps humain comme implants distributeurs de médicaments puissent être un jour avoir un comportement anormal.

Au niveau des métaux, la nanotechnologie peux également induire des effets pervers, comme le "rebound effect" : le prix de certains métaux diminuant, les utilisations se multiplient. C'est le cas actuellement des métaux lourds comme le mercure et le cadmium, dont les prix ont chuté après avoir été bannis dans les pays développés, mais qui sont importés en quantités croissantes par la Chine et l'Inde.

On assiste déjà à une radicalisation des débats, avec d’un coté le Rensselaer Nanotechnology Centre (Richard Siegel, un des pionniers des nanosciences) qui clame qu'il n'y a strictement aucun risque, tandis que de l’autre, des organisations comme l'ONG-canadienne ETC (Action Group on Erosion, Technology and Concentration) et la Science et Environmental Health Network sonnent l'alarme et demandent un moratoire sur toutes les recherches en attendant des études d'impact.  

Les impacts économiques des nanotechnologies

Selon l’IMM (Institute for Molecular Manufacturing), le marché des nanotechnologies pourrait atteindre 30 milliards de USD en 2006. Les nanotubes de carbone (" CNTs ") devraient atteindre 25% du marché des nanotechnologies en 2006. Leur prix actuel est leur principal défaut (~ 30 USD/kg).

Les impacts sur les consommations de métaux

En repoussant les limites des matériaux actuels, on voit poindre la naissance de supermatériaux, plus résistants que l’acier ou le kevlar, qui amélioreront considérablement les performances mécaniques des matériaux actuels.

Toutefois, les nanotechnologies ne consommeront que des quantités infimes de métal. Prenons les transistors à atomes de cobalt : ces interrupteurs permettraient de réduire de 60 000 fois la taille des circuits imprimés. Même si chaque personne de la Terre détenait plusieurs centaines de circuits contenant ~ 40 millions de transistors, cela ne modifierait pas pour autant la consommation mondiale de cobalt (36 900 t/an). En effet, 1 kg de Co contient 6,023 x 10²³ atomes, il y a donc assez d'atomes dans 1 gramme de Co pour fabriquer plus de 400 processeurs pour chaque habitant de la planète… Il faut donc percevoir les nanotechnologies comme l’un des vecteurs clef de la dématérialisation.

Si les quantités de métaux en jeu resteront infimes, en revanche, les niveaux de pureté deviendront extrême au point que l’on devra considérer leur élaboration dans des "Nanofoundries".

Référence

• Axe 3 du VI° PCRD, nanotechnologies
• http://www.his.com/~dionychus/nano/nanoindex.html
• Minefi, DIGITP, Technologies clef 2005, oct. 2000, 316 pages
• Instantanés Techniques, Juin/Juillet/Aout 2002, pages 37-45 (bibliographie)
• Pour la science, N° spécial Nanosciences au coeur des molécules, Dec. 2001
• Nanocomposants et nanomachines, ed. OFTA, 2001
• Nanomatériaux, P. Costa, ed. Techniques de l’Ingénieur, Matériaux métalliques, 2001
• Réseau de recherche & innovation : mnt.org
• Nanodata.com, nanoforum.org, nano-tek.org, minamet.com,euspen.org, minatec.com, onera.fr/conferences/nanotubes/index.htm, optoexpo.com

Machines et robots moléculaires

Image d’une roue moléculaire tournant à 1million de tours/mn
Fibres et rubans macroscopiques de nanotubes de carbone (CNRS, 2000): G : Nanotube de carbone observé par microscopie optique (largeur approximative du ruban : 0,5 mm). D : Observation par microscopie optique d'une fibre dense de nanotube (échelle : le trait blanc correspond à 25 microns).
Microscopie électronique à balayage : nanoparticules de ruthénium, 6mm sur l'image représentent 50 nanomètres (nm). (CNRS-INFO N°365)
Nanotube de carbone cristallisé fermé à son extrémité (diamètre de l’ordre de quelques nm)
Organisation de nanoparticules d'argent
Ecriture à l’échelle de l’atome. Carte de France sur couche d’Or.

 

Depuis 1987, R. Becker (laboratoires Bell) a pu manipuler des atomes un à un sur une surface en utilisant un microscope à balayage à effet tunnel, aujourd’hui amélioré (microscope dit à champ proche)

Un pôle des nanotechnologies est créé à Grenoble-Isère avec Nanotec 300 (CEA-Léti projet), Minatec, et Crolles 2 (centre R&D commun à Motorola, Philips et STMicroelectronics)