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17 Janvier 2001
dossier compilé par J.P.Baquiast

Le monde des nanotechnologies

© Zyvex.com

Définitions
Les atomes sont les constituant de base de la matière ordinaire, celle que nous utilisons dans l'industrie. Aujourd'hui, les processus industriels ne se préoccupent pas de travailler la matière au niveau de l'atome. Ceux-ci sont toujours considérés en tant qu'entités statistiques, et manipulés avec des machines qui n'essayent pas de les distinguer individuellement.

Dans l'avenir, il sera nécessaire de le faire. C'est le rôle que s'assignent les nanotechnologies. Celles-ci pourront travailler au niveau des atomes aussi vite et économiquement que les machines actuelles au niveau des matériaux usuels. Le mouvement est déjà engagé dans l'électronique de pointe, afin de poursuivre la course à la performance et à la miniaturisation symbolisée par la loi dite de Moore. Mais bien d'autres produits plus propres, plus légers, plus solides et meilleur marché que ceux existants actuellement sont aussi visés.

Le terme de nanotechnologie vient de l'échelle à laquelle se place l'opérateur, le nanomètre, c'est-à-dire le milliardième de mètre (10-9 mètre). Concernant les circuits électroniques, avec l'amélioration des techniques lithographiques on est passé d'une épaisseur de gravure de trait de 8 micromètres (8 millionièmes de mètre) en 1970, à 2 micromètres en 1980, puis à 0,5 en 1992, pour friser aujourd'hui le dixième de micromètre. Mais la technique va rapidement atteindre ses limites de faisabilité et de rentabilité économique.

Il faut donc dès maintenant trouver autre chose, en développant des méthodes de fabrication post-lithographiques permettant de construire des calculateurs à partir d'éléments moléculaires, susceptibles d'être interconnectés en réseaux complexes et hautement spécialisés. Ce sera l'affaire des nanotechnologies. C'est la raison pour laquelle on désigne aussi celles-ci par le terme de technologies moléculaires.

Ces technologies devront respecter des cahiers des charges précis :
- disposer chaque atome à la bonne place
- respecter ce faisant les lois connues de la physique et de la chimie
- obtenir des coûts ne dépassant pas, en gros, ceux de l'approvisionnement en matières premières et en énergie.

Pour cela, deux concepts seront utilisés : le positionnement moléculaire et l'auto-réplication.

Par positionnement moléculaire, il faut entendre la possibilité d'assembler les atomes dans un espace à 3 dimensions de façon à retrouver l'arrangement des molécules recherchées, qui sont souvent de longues chaînes de polymères. La nature fait cela sans effort, par exemple en produisant des cristaux purs ou grâce aux pouvoirs d'assemblage de l'ADN. L'objectif serait d'obtenir le même résultat industriellement, en fabricant par exemple des fibres de diamant ou de carbone dotées de la résistance mécanique et électrique nécessaire. Dans le domaine de l'électronique, il faudra aussi répartir les impuretés et dopants aux bons endroits. C'est possible en laboratoire, ce ne l'est plus à grande échelle, compte-tenu des coûts.

Le positionnement moléculaire fera appel à la robotique moléculaire, c'est-à-dire à des outils ayant la taille et la précision de la molécule. Ces outils ressembleront en gros à leurs homologues macroscopiques. Les robots industriels d'aujourd'hui prennent les composants dans des caisses et les mettent en place sans intervention humaine sur le produit en cours d'assemblage. Les robots moléculaires feront de même avec les atomes. Il n'y a pas d'impossibilité physique à manipuler les atomes un par un.

Nous n'entrerons pas dans le détail des dispositifs de positionnement moléculaires utilisés aujourd'hui. On retrouvera les différentes fonctions du robot, par exemple le bras à plusieurs degrés de liberté, l'engrenage ou la plate-forme dite de Steward. Il convient de faire des compromis, au cas par cas, entre la flexibilité et versatilité de tel outil et la rigidité de tel autre, facteur de précision dans l'assemblage.

Le deuxième principe est celui de l'auto-réplication. Pour des raisons évidentes d'économie, il faudra pouvoir reproduire à grande échelle le nanoproduit une fois réalisé, pour ne pas s'obliger à le remonter à chaque fois. Les techniques d'auto-réplication sont à la base de l'évolution des structures biologiques, mais, à l'échelle des produits macroscopiques, elles sont pratiquement inutilisables. Les robots moléculaires pourront, eux, travailler à partir de stocks de " pièces détachées " qui auront été préparées et mises à disposition à l'avance, pour leur éviter d'aller les chercher dans la nature, comme le font les cellules vivantes auto-réplicatives. Des études initialisées par Von Neumann dans les années '40, reprises par la Nasa puis par Drexler ont montré que la complexité d'un système réplicatif artificiel n'est pas excessive. Surtout si l'on organise la réplication dans un environnement contrôlé, évitant les aléas du milieu naturel. Le produit final ne sera mis qu'une fois terminé au contact de sa cible (par exemple le malade dans le domaine des nanotechnologies pharmaceutiques). En fait, il conviendra d'arbitrer en permanence entre l'auto-réplication en milieu naturel et l'auto-réplication en milieu protégé, compte-tenu des exigences de coût et de sécurité recherchées au cas par cas.

Conclusion

Les nanotechnologies ont pris une telle importance que tous les grands pays se préoccupent d'en développer l'ingénierie et les usages. Il s'agit véritablement d'une nouvelle phase de la robotique, tant dans le domaine de la chimie et de la physique que dans le domaine du vivant. Les robots de demain n'auront aucune efficacité s'ils ne peuvent intervenir, comme les processus naturels développés par des milliards d'années d'évolution, au niveau des molécules et des atomes. D'où l'intérêt d'en faire des priorités dans les recherches et les développements, en robotique, en biologie, en pharmacologie.

  La National Nanotechnology Initiative des Etats-Unis


http://www.nano.gov/
Le président Clinton a lancé en juillet 2000 une Initiative nationale pour les nanotechnologies, qui comporte trois catégories d'appels à projets:

On trouvera sur les sites ci-dessus des descriptifs des actions entreprises, ainsi que des précisions sur les domaines visés et les moyens. Le site Nano.gov fournit de nombreux autres renseignements sur les différents aspects du programme.

Le Réseau Micro et nanotechnologies français http://www.recherche.gouv.fr/technologie/reseaux/rmicrotec.htm
Selon le ministère de la Recherche :
Domaine : Le Réseau de recherche et d'innovation technologiques Micro et nanotechnologies couvre un secteur de très haute technologie, tout ce qui concerne le dimensionnement, le fonctionnement, la fabrication collective et la caractérisation d'objets de très petites dimensions pouvant aller jusqu'à une taille moléculaire.

Son domaine d'intervention est pluridisciplinaire : électronique, mécanique, optique, chimie, biologie…

Il a pour finalité des objets réalisés avec des techniques de fabrication collective (on peut réaliser sur le même support quelques milliers d'accéléromètres, ou une centaine de circuits intégrés comportant chacun 10 millions de transistors).

Organisation : Le réseau est piloté par un comité d'orientation (17 membres représentant les laboratoires publics et les industriels) et présidé par Claude Puech, Directeur technique d'Angénieux . Le fonctionnement permanent du réseau est assuré par un bureau exécutif (piloté par le Leti à Grenoble) avec des antennes régionales. Le réseau est animé par des cellules couvrant ses différentes thématiques. Les projets sont instruits par le bureau exécutif selon une procédure de demande spontanée. En 1999, une aide publique de 40MF a été prévue par la Direction de la Technologie.

Font partie du réseau :
- des laboratoires de recherche académiques
- des laboratoires du CEA, du CNET
- de grands groupes industriels…

 Concernant l'Action Concertée Incitative "Nanostructures : Effets physiques et fonctionnalités", l'appel à projets 2000 est terminé.
Un prolongement pour 2001 est envisagé
Contact : http://www.rmnt.org

Pour en savoir plus les nanotechnologies :
- Introduction à la nanotechnologie moléculaire, par Fréderic Levy (fredlet@worldnet.fr) 24 avril 2000  http://www.spirtech.com/flv/nano/ Excellente étude, en français, graphiques, images, liens. Quelques paragraphes sont assez techniques, mais non dissuasifs.
- Les nanomondes, par leo.devinci@wanadoo.fr et tombegs@hotmail.com Ce document, en français, complète utilement le précédent. Il est plus attractif pour le public non spécialiste (animations)
- Nanotechnology http://www.zyvex.com/nano/ par Zyvex. en anglais. Très nombreuses références.
- Exponential assembly, a MEMS based replicative architecture, par Zyvex. http://www.zyvex.com/Research/exponential.html
- Engines of creation, un livre fondateur par Eric Drexler, 1e édition 1986: texte intégrale en ligne http://www.foresight.org/EOC/index.html. Traduction française en ligne (Bravo, bel effort) http://www.foresight.org/EOC/FrenchEOC.txt

© Automates Intelligents 2001

 

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