C'est un petit, petit, petit, petit monde

Les propriétés des matériaux dépendent de la disposition de leurs atomes. Réorganisez les atomes dans le charbon et vous obtenez des diamants. Réorganisez les atomes dans le sol, l'eau et l'air, et vous avez de l'herbe. Et depuis que les humains ont fabriqué pour la première fois des outils en pierre et des couteaux en silex, nous avons manipulé des atomes dans de grands troupeaux statistiques tonitruants en coulant, fraisant, broyant et broyant des matériaux. Nous réarrangeons les atomes dans le sable, par exemple, ajoutons une pincée d'impuretés, et nous produisons des puces informatiques. Nous sommes devenus de mieux en mieux et pouvons faire plus de choses à moindre coût et avec une plus grande précision que jamais.

Même dans nos travaux les plus précis, nous déplaçons les atomes en tas massifs et en tas désordonnés, des millions ou des milliards à la fois. Les analyses théoriques montrent clairement, cependant, que nous devrions être capables de réorganiser les atomes et les molécules un par un, avec chaque atome au bon endroit, de la même manière que nous pourrions organiser des blocs Lego pour créer un modèle de construction ou une machine simple. Cette technologie, souvent appelée nanotechnologie ou fabrication moléculaire, nous permettra de fabriquer la plupart des produits plus légers, plus solides, plus intelligents, moins chers, plus propres et plus précis.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de février 1997

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Les conséquences seraient grandes. Nous pourrions, pour commencer, poursuivre la révolution du matériel informatique jusqu'aux commutateurs et aux fils de taille moléculaire. La capacité de construire des choses molécule par molécule nous permettrait également de créer une nouvelle classe de matériaux de structure qui seraient plus de 50 fois plus résistants que l'acier du même poids : une Cadillac pourrait peser 100 livres ; un canapé pleine grandeur pouvait être ramassé d'une seule main. La capacité de construire molécule par molécule pourrait également nous donner des instruments chirurgicaux d'une précision et d'une habileté telles qu'ils pourraient opérer sur les cellules et même les molécules à partir desquelles nous sommes fabriqués.

La capacité de fabriquer de tels produits se situe probablement dans quelques décennies. Mais les modèles théoriques et informatiques fournissent l'assurance que les systèmes de fabrication moléculaire nécessaires à la tâche sont possibles, qu'ils ne violent pas la loi physique existante. Ces modèles nous donnent également une idée de ce à quoi pourrait ressembler un système de fabrication moléculaire. C'est une base importante : après tout, l'idée de base d'un relais électrique était connue dans les années 1820, et le concept d'un ordinateur mécanique qui fonctionnait à partir d'un ensemble d'instructions stockées - un programme - a été compris quelques années plus tard. Mais les ordinateurs utilisant des relais n'ont été construits que bien plus tard parce qu'il n'existait aucune bonne compréhension théorique du calcul. Aujourd'hui, les scientifiques conçoivent de nombreux outils et techniques qui seront nécessaires pour transformer la nanotechnologie des modèles informatiques en réalité. Bien que la plupart restent du domaine de la théorie, il ne semble pas y avoir d'obstacle fondamental à leur développement.

Un coffre à outils nano

Imaginez mettre des fils, des transistors et d'autres composants électroniques dans un sac, le secouer et sortir une radio entièrement assemblée et prête à fonctionner. Bien que cela semble fantaisiste, un auto-assemblage aussi remarquable est, en substance, ce que les chimistes font chaque fois qu'ils synthétisent des matériaux. Mélangeant des solutions dans un bécher, un chimiste laisse les attractions et répulsions intrinsèques de certaines molécules et atomes prendre le dessus. Un art et une science ont évolué pour organiser les conditions afin que les atomes s'assemblent spontanément en structures moléculaires particulières.

De même, nous sommes entourés et inspirés de produits merveilleusement complexes et pourtant très bon marché. Les pommes de terre, par exemple, se composent de dizaines de milliers de gènes et de protéines et d'une machinerie moléculaire complexe ; pourtant on ne pense pas à manger ce miracle de la biologie, écrasé avec un peu de beurre. Les pommes de terre, ainsi que de nombreux autres produits agricoles, coûtent moins d'un dollar la livre. La principale raison : si elle est dotée d'un peu de terre, d'eau, d'air et de soleil, une pomme de terre peut produire plus de pommes de terre. De même, si nous pouvions créer un dispositif de fabrication programmable à usage général capable de se reproduire - ce que les chercheurs en nanotechnologie appellent un assembleur -, les coûts de fabrication de l'appareil et de tout ce qu'il fabrique pourraient être maintenus bas.

Un principe de base de l'auto-assemblage est l'adhérence sélective. Si deux parties moléculaires ont des formes et des motifs de charge complémentaires - c'est-à-dire si l'une a un creux là où l'autre a une bosse, ou l'une a une charge positive là où l'autre a une charge négative - alors elles auront tendance à se coller ensemble d'une manière particulière. pour former une plus grande partie. Cette plus grande partie peut se combiner de la même manière avec d'autres parties pour qu'un ensemble complexe émerge des morceaux moléculaires.

L'auto-assemblage n'est cependant pas suffisant à lui seul pour fabriquer la large gamme de produits que promet la nanotechnologie. Si les pièces sont collantes sans discernement, par exemple, les mélanger ensemble produirait des taches désordonnées au lieu de machines moléculaires précises. Nous pouvons résoudre ce problème en maintenant les parties moléculaires dans la position et l'orientation appropriées de sorte que lorsqu'elles se touchent, elles se rejoignent comme nous le souhaitons. A l'échelle macroscopique, l'idée que l'on peut tenir des pièces en main et les assembler en les positionnant correctement les unes par rapport aux autres remonte à la préhistoire : nous nous célébrons comme l'espèce qui utilise des outils. Mais l'idée de tenir et de positionner des molécules est nouvelle et presque choquante. Des équivalents nanométriques des bras et des mains doivent être développés.

Les propositions actuelles de dispositifs positionnels à l'échelle moléculaire ressemblent à des dispositifs robotiques de taille normale, mais ils sont environ un dix millionième plus gros. Un bras robotique moléculaire pourrait balayer systématiquement d'avant en arrière, ajoutant et retirant des atomes d'une surface pour construire n'importe quelle structure que l'ordinateur lui aurait demandé. Un tel bras, composé de quelques millions d'atomes, pourrait mesurer 100 nanomètres de long et 30 nanomètres de diamètre. Bien qu'il aurait environ 100 pièces mobiles, il n'utiliserait aucun lubrifiant - à cette échelle, une molécule de lubrifiant ressemble plus à un morceau de grain. De tels outils ultraminiatures devraient être capables de positionner leurs pointes à une petite fraction du diamètre atomique. Des milliards de tels appareils occuperaient un peu plus de quelques millimètres cubes (un grain légèrement plus gros qu'une tête d'épingle).

Les bras moléculaires seraient secoués par quelque chose dont nous ne nous soucions pas à l'échelle macroscopique : le bruit thermique. Les atomes et les molécules sont dans un état constant d'agitation et de tremblement ; plus la température est élevée, plus le mouvement est vigoureux. Pour maintenir sa position, un bras nanométrique doit donc être extrêmement rigide.

Le matériau le plus rigide qui soit est le diamant. La résistance et la légèreté d'un matériau dépendent du nombre et de la force des liaisons qui maintiennent ses atomes ensemble, ainsi que de la légèreté des atomes. L'élément qui correspond le mieux aux deux critères est le carbone, qui est léger et forme des liaisons plus fortes que tout autre atome. La liaison carbone-carbone est particulièrement forte ; chaque atome de carbone peut se lier à quatre atomes voisins. Dans le diamant, donc, un réseau dense de liaisons fortes crée un matériau solide, léger et rigide. En effet, tout comme nous avons nommé l'âge de pierre, l'âge du bronze et l'âge de l'acier d'après les matériaux que les humains pouvaient fabriquer, nous pourrions appeler la nouvelle ère technologique à laquelle nous entrons l'âge du diamant.

Comment peut-on produire un appareil en diamant de cette envergure ? Une réponse vient de la façon dont nous cultivons le diamant aujourd'hui. Dans un processus qui rappelle quelque peu la peinture au pistolet, nous construisons couche après couche de diamant en maintenant une surface dans un nuage d'atomes d'hydrogène réactifs et de molécules d'hydrocarbures. Lorsque ces molécules heurtent la surface, elles la modifient, soit en ajoutant, en supprimant ou en réarrangeant des atomes. En contrôlant soigneusement la pression, la température et la composition exacte du gaz dans ce processus, appelé dépôt chimique en phase vapeur (CVD), nous pouvons créer des conditions qui favorisent la croissance du diamant à la surface.

Mais bombarder aléatoirement une surface avec des molécules réactives n'offre pas un contrôle précis sur le processus de croissance ; cela revient à essayer de construire une montre-bracelet à l'aide d'un sableur. Nous voulons que les réactions chimiques se produisent précisément aux endroits de la surface que nous spécifions. Un deuxième problème est de savoir comment rendre la surface du diamant réactive aux endroits particuliers où nous voulons ajouter un autre atome ou une autre molécule. Une surface de diamant est normalement recouverte d'une couche d'atomes d'hydrogène. Sans cette couche, la surface du diamant brut serait très réactive car elle serait parsemée de liaisons inutilisées (ou pendantes) des atomes de carbone. Bien que l'hydrogénation empêche les réactions indésirables, elle rend également toute la surface inerte, ce qui rend difficile l'ajout de carbone (ou autre) à celle-ci.

Pour surmonter ce problème, nous pourrions utiliser un ensemble d'outils à l'échelle moléculaire qui, en une série d'étapes, prépareraient la surface et créeraient des structures sur la couche de diamant, atome par atome et molécule par molécule. La première étape du processus consisterait à retirer un atome d'hydrogène d'un endroit spécifique sur la surface du diamant, laissant derrière lui une liaison pendante réactive. Cela peut être fait avec un outil d'abstraction d'hydrogène - une structure moléculaire qui a une affinité chimique élevée pour l'hydrogène à une extrémité mais qui est inerte ailleurs. La zone non réactive de l'outil sert en quelque sorte de poignée. L'outil serait tenu par un dispositif de positionnement moléculaire, tel que le bras robotique moléculaire discuté plus tôt, et déplacé directement sur des atomes d'hydrogène particuliers sur la surface que nous souhaitons abstraire.

Cela crée un problème de poule et d'œuf : nous avons besoin d'un bras robotique moléculaire pour construire un autre bras robotique moléculaire. Pour résoudre ce problème, nous devons à un moment donné construire un bras robotique moléculaire avec autre chose qu'un bras robotique moléculaire. Nous pourrions, par exemple, utiliser un dispositif de positionnement macroscopique, tel qu'une version améliorée d'un microscope à force atomique existant, pour fabriquer notre premier bras robotique moléculaire. Alternativement, nous pourrions auto-assembler un dispositif de positionnement moléculaire simplifié. Ces premiers dispositifs positionnels bruts pourraient ensuite être utilisés pour en fabriquer de meilleurs.

Une molécule appropriée pour un outil d'abstraction d'hydrogène est le radical acétylène - deux atomes de carbone triplement liés ensemble. Un carbone serait le manche, et serait relié à un outil de positionnement à l'échelle nanométrique. L'autre carbone a une liaison pendante où un atome d'hydrogène serait dans l'acétylène ordinaire. L'environnement autour de l'outil serait inerte (les propositions typiques impliquent l'utilisation du vide ou d'un gaz noble, tel que le krypton ou le xénon).

Une fois que cet outil a créé un point réactif en éliminant sélectivement les atomes d'hydrogène de la surface du diamant, il devient possible de déposer des atomes de carbone aux emplacements souhaités. De cette façon, une structure en diamant est construite, molécule par molécule, selon le plan. Une proposition pour cette fonction est l'outil de dépôt de dimère. Un dimère est une molécule constituée de deux atomes ou molécules identiques collés ensemble. Dans ce cas, le dimère serait C2-deux atomes de carbone reliés par une triple liaison. Dans l'outil de dépôt, chaque carbone du dimère serait connecté à une molécule plus grosse par des liaisons simples avec des atomes d'oxygène.

L'outil d'extraction d'hydrogène et l'outil de dépôt de dimère fonctionneraient ensemble (voir l'illustration ci-dessus). Premièrement, l'outil d'abstraction retirerait deux atomes d'hydrogène adjacents de la surface du diamant. Les deux liaisons pendantes réagiraient avec les extrémités du dimère de carbone. Cette réaction romprait les liaisons carbone-oxygène, puis transférerait le dimère de carbone de l'outil à la surface. Parce que l'énergie libérée pendant la réaction est beaucoup plus grande que le bruit thermique, le dimère s'accrochera à la surface et y restera.

Un troisième outil proposé pour fabriquer des nanostructures est l'outil d'insertion de carbène. Les carbènes - des atomes de carbone hautement réactifs avec deux liaisons pendantes - réagiront avec (et ajouteront un atome de carbone à) de nombreuses structures moléculaires. Les carbènes s'inséreront facilement dans des liaisons doubles ou triples, comme la liaison dans le dimère carbone-carbone décrit ci-dessus. Un carbène à position contrôlée pourrait être attaché presque n'importe où sur une pièce moléculaire en croissance, conduisant à la construction de pratiquement n'importe quelle forme souhaitée.

Une quatrième proposition concerne un outil de dépôt d'hydrogène. Là où l'outil d'abstraction d'hydrogène est destiné à rendre réactive une structure inerte en créant une liaison pendante, l'outil de dépôt d'hydrogène ferait le contraire : rendre une structure réactive inerte en mettant fin aux liaisons pendantes. Un tel outil nous permettrait de stabiliser les surfaces réactives et d'empêcher les atomes de surface de se réarranger de manière inattendue et indésirable. L'exigence clé pour un tel outil est qu'il inclue un atome d'hydrogène faiblement attaché. Alors que de nombreuses molécules correspondent à cette description, la liaison entre l'hydrogène et l'étain est particulièrement faible ; ainsi, un outil de dépôt d'hydrogène à base d'étain devrait être efficace.

Ces quatre outils moléculaires devraient nous permettre de fabriquer une large gamme de structures rigides, mais uniquement celles qui sont composées d'hydrogène et de carbone. C'est un objectif beaucoup moins ambitieux que d'essayer d'utiliser la centaine d'éléments du tableau périodique. Mais en échange de nous cantonner à cette classe plus restreinte de structures, nous facilitons grandement l'analyse de celles qui peuvent être fabriquées et des réactions de synthèse nécessaires à leur fabrication. Dans tous les cas, cette proposition plus restreinte peut être étudiée plus facilement et de manière plus approfondie que la nanotechnologie complète. Et le diamant et ses variantes incassables entrent dans cette catégorie, tout comme les feuillets de fullerènes d'atomes de carbone roulés en sphères, tubes et autres formes. Ces matériaux peuvent composer toutes les pièces nécessaires aux dispositifs mécaniques de base tels que les jambes de force, les roulements, les engrenages et les bras robotiques.

En fin de compte, nous aimerions ajouter d'autres éléments - pour créer des appareils électroniques en diamant, par exemple, ou ajouter de l'azote à la surface interne d'un roulement afin de soulager la tension (la liaison carbone-azote est plus longue que la liaison carbone-carbone) . De telles structures, composées principalement de carbone et d'hydrogène en combinaison avec de l'azote, de l'oxygène, du fluor, du silicium, du phosphore, du soufre ou du chlore, constituent ce que nous appelons la classe des matériaux diamantoïdes.

L'âge du diamant

Le diamant naturel coûte cher, nous ne pouvons pas le fabriquer dans les formes que nous voulons et il se brise. La nanotechnologie nous permettra de fabriquer à peu de frais un diamant incassable (avec une structure qui pourrait ressembler à des fibres de diamant) dans exactement les formes que nous voulons. Cela nous permettrait de faire un Boeing 747 qui pèserait un cinquantième des versions d'aujourd'hui sans aucun sacrifice de force. L'avantage pour les voyages dans l'espace serait également dramatique. Le rapport résistance/poids et le coût des composants sont essentiels aux performances et à l'économie des vaisseaux spatiaux : la nanotechnologie pourrait améliorer ces deux paramètres d'environ deux ordres de grandeur.

La nanotechnologie pourrait également modifier radicalement l'économie de la production d'énergie. Le soleil pourrait fournir des ordres de grandeur plus d'énergie que les gens n'en utilisent actuellement - et le faire de manière plus propre et moins chère que les combustibles fossiles et les réacteurs nucléaires - si seulement nous pouvions fabriquer des piles et des batteries solaires à faible coût. Nous savons déjà comment fabriquer des cellules solaires efficaces : les nanotechnologies pourraient réduire leurs coûts, rendant enfin l'énergie solaire économique. Dans cette application, nous n'avons pas besoin de fabriquer des appareils nouveaux ou techniquement supérieurs ; juste en fabriquant à peu de frais ce que nous savons déjà faire à un prix élevé, nous déplacerions l'énergie solaire dans le courant dominant.

La fabrication des puces informatiques pourrait subir une profonde mutation. Il semble y avoir des limites fondamentales dans la mesure où nous pouvons encore améliorer la lithographie, le processus par lequel les puces sont maintenant fabriquées. En lithographie (littéralement, écriture à la pierre), on dessine de fines lignes sur une plaquette de silicium en utilisant des méthodes empruntées à la photographie. Un film sensible à la lumière, appelé résist, est étalé sur la plaquette de silicium. La réserve est exposée à un motif complexe de lumière et d'obscurité, comme un négatif dans un appareil photo, et développée. En répétant ce processus, il est possible de créer un ensemble complexe de motifs de verrouillage qui définissent les éléments logiques complexes d'une puce informatique.

Mais arranger les atomes en projetant des photons (ou d'autres particules) sur une surface à distance ne semble pas être la meilleure approche, surtout si nous voulons utiliser trois dimensions au lieu de seulement deux ; imaginez construire une voiture en lui lançant des outils à plus d'un kilomètre et demi. Ainsi, si les améliorations du matériel informatique doivent se poursuivre au rythme actuel, dans une dizaine d'années, nous devrons dépasser la lithographie pour adopter une nouvelle technologie de fabrication. Des conceptions d'éléments logiques informatiques composés de moins de 1 000 atomes ont déjà été suggérées, mais chaque atome d'un si petit appareil doit être exactement au bon endroit. Et la pulvérisation de produits chimiques autour ne peut tout simplement pas organiser les atomes avec la précision nécessaire.

Heureusement, le diamant est un excellent matériau électronique. Il surpasse le silicium à plusieurs égards clés. D'une part, les électrons se déplacent plus rapidement dans le diamant que dans le silicium. Le diamant peut également mieux fonctionner que le silicium à haute température. Ceci est important car à mesure que les puces deviennent de plus en plus rapides, leurs performances sont limitées par la nécessité de dissiper la chaleur qui s'accumule dans les circuits.

Le diamant a cet avantage pour deux raisons. Premièrement, le diamant a une conductivité thermique supérieure à celle du silicium, ce qui permet à la chaleur de sortir plus rapidement d'un transistor en diamant. Deuxièmement, le diamant a une bande interdite plus grande que le silicium - 5,5 électrons-volts, contre 1,1 électron-volts dans le silicium. La bande interdite est la quantité minimale d'énergie nécessaire pour faire passer un électron de son état relativement immobile à la bande de conduction du semi-conducteur, où l'électron se déplace librement sous l'influence d'une tension. À mesure que la température augmente, davantage d'électrons acquièrent l'énergie nécessaire pour sauter dans la bande de conduction. Lorsque trop d'électrons le font, le dispositif passe d'un semi-conducteur à un conducteur ; le transistor court-circuite et cesse de fonctionner. La bande interdite plus élevée du diamant signifie qu'il court à une température plus élevée.

Avec la nanotechnologie, nous devrions être capables de construire des dispositifs de stockage de masse capables de stocker plus de 100 milliards de milliards d'octets dans un volume de la taille d'un morceau de sucre, et des ordinateurs massivement parallèles de la même taille pouvant fournir un milliard de milliards d'instructions par seconde. milliards de fois plus que les ordinateurs de bureau d'aujourd'hui.

La disponibilité de dispositifs nanométriques pourrait également redéfinir radicalement la chirurgie. Il existe aujourd'hui une inadéquation fondamentale entre ce qui est nécessaire pour traiter les blessures et les capacités de nos outils. La machinerie cellulaire et moléculaire de nos tissus est petite et précise, mais les scalpels d'aujourd'hui sont, comme le voit une cellule, des faux grossiers qui déchirent les tissus, laissant dans leur sillage des cellules mortes et mutilées. La seule raison pour laquelle la chirurgie moderne fonctionne est la capacité remarquable des cellules à se regrouper, à enterrer leurs morts et à guérir la plaie.

Des outils chirurgicaux moléculaires à la fois en taille et en précision devraient nous permettre de guérir directement, au niveau moléculaire et cellulaire, les blessures qui causent la maladie. Un bras robotique moléculaire de moins de 100 nanomètres de long, par exemple, s'intégrerait facilement dans le système circulatoire (un seul globule rouge mesure environ 8 000 nanomètres de diamètre) et serait même capable de se faufiler à l'intérieur de cellules individuelles.

Une application serait dans le traitement du cancer. Nous pourrions concevoir un petit appareil capable d'identifier et de tuer les cellules cancéreuses. Le dispositif, qui incorporerait un ordinateur à l'échelle nanométrique et plusieurs sites de liaison conçus pour s'adapter à des molécules spécifiques, circulerait librement dans tout le corps, échantillonnant périodiquement son environnement en déterminant si ses sites de liaison étaient occupés. Plus un site est occupé fréquemment, plus la concentration de la molécule pour laquelle ce site a été conçu est élevée. Un nanodispositif avec une douzaine de types différents de sites de liaison pourrait ainsi surveiller les concentrations d'une douzaine de types différents de molécules qui se produisent normalement dans le corps mais dont les concentrations les unes par rapport aux autres changent lorsque le cancer est présent. L'ordinateur pourrait déterminer si le profil des concentrations correspond à un profil préprogrammé et, lorsqu'un profil cancéreux est rencontré, libérer un poison qui tue sélectivement les cellules cancéreuses.

Chaque appareil pourrait incorporer un capteur de pression à l'échelle nanométrique qui permettrait au tueur de cancer de recevoir des instructions via des signaux ultrasonores dans la gamme des mégahertz. En écoutant plusieurs sources de signaux acoustiques macroscopiques, l'appareil pourrait déterminer son emplacement dans le corps tout comme un récepteur radio sur terre peut utiliser les transmissions de plusieurs satellites pour déterminer sa position. La connaissance de son propre emplacement dans le corps aiderait l'appareil à déterminer s'il se trouve à proximité du cancer. En l'absence d'informations de localisation, il pouvait parfois libérer par erreur du poison dans une cellule qui semblait être une cellule cancéreuse. Si l'objectif était de tuer un cancer du côlon, par exemple, un cancer du gros orteil ne libérerait pas son poison, peu importe ce que lui diraient ses capteurs de cancer.

Comment pouvons-nous y arriver?

Les merveilleuses capacités décrites ici sont, pour la plupart, théoriques. Comment les concrétiser ? Comment pouvons-nous construire un système de fabrication programmable à usage général à l'aide d'outils hautement réactifs et contrôlés en position qui pourraient fabriquer à peu de frais la plupart des structures diamantoïdes ?

L'ampleur de ce défi ne doit pas être sous-estimée. Les propositions actuelles pour un assembleur capable de fabriquer des structures diamantoïdes impliquent des centaines de millions ou des milliards d'atomes, sans qu'aucun atome ne soit déplacé. Même un simple bras de robot, qui pourrait être composé de quelques millions d'atomes seulement, devrait être accompagné d'autres composants. Les bras robotiques fonctionneraient dans le vide, par exemple, dictant le besoin d'une coque autour du bras pour maintenir ce vide. D'autres gadgets auxiliaires qui seront nécessaires incluent des récepteurs acoustiques, des ordinateurs, des cliquets actionnés par pression et des sites de liaison. Si chaque opération, telle que l'extraction d'hydrogène ou le dépôt de carbène, traite généralement un ou quelques atomes, alors le taux d'erreur doit être inférieur à un sur un milliard.

Bien qu'une telle perfection soit théoriquement réalisable, la technologie d'aujourd'hui n'est pas à la hauteur de la tâche. Un processus de synthèse chimique que les chimistes considèrent comme très bon convertit 99 pour cent des réactifs en le produit souhaité. Pourtant, ce rendement de 99% représente un taux d'erreur d'un sur 100, ce qui est dix millions de fois moins parfait que ce que nous souhaitons pour une nanotechnologie mature. La synthèse de protéines à partir d'acides aminés par les ribosomes a un taux d'erreur de peut-être un sur 10 000. L'ADN, en s'appuyant sur une détection et une correction étendues des erreurs ainsi qu'une redondance intégrée (la molécule a deux brins complémentaires), atteint un taux d'erreur d'environ une base sur un milliard lors de sa réplication.

Aucune technologie existante ne peut approcher ce niveau de performance. Une technique qui peut positionner des atomes individuels, par exemple, est le microscope à sonde à balayage (SPM), dans lequel une pointe pointue est amenée à la surface d'un échantillon afin qu'un signal soit généré qui nous permet de cartographier la surface à sonder, comme une personne aveugle tapant avec une canne pour sentir le chemin à parcourir. Certains SPM poussent littéralement sur la surface et notent à quel point la surface repousse. D'autres connectent la surface et la sonde à une source de tension et mesurent le flux de courant lorsque la sonde se rapproche de la surface. Une multitude d'autres interactions sonde-surface peuvent être mesurées et sont utilisées pour fabriquer différents types de SPM.

Le SPM peut non seulement cartographier une surface, mais peut la modifier en déposant des atomes et des molécules individuels selon un motif souhaité, par exemple. Dans un cas très médiatisé, des scientifiques ont disposé 35 atomes de xénon sur une surface de nickel pour former les lettres identifiant leur employeur : IBM. Mais cette manipulation SPM nécessitait un refroidissement à 4 degrés au-dessus du zéro absolu, ce qui n'est pas exactement des conditions idéales pour une fabrication à grande échelle. Plus récemment, des scientifiques d'IBM ont disposé avec précision des molécules à température ambiante sur une surface de cuivre. Cependant, les SPM ont des taux d'erreur suffisamment élevés pour qu'ils doivent utiliser des méthodes de détection et de correction d'erreur relativement sophistiquées. Et bien que ces systèmes puissent se déplacer autour de quelques atomes ou molécules, ils ne peuvent pas fabriquer de grandes quantités de diamants précisément structurés du type de celui qui pourrait être utilisé pour construire une voiture ou un avion.

Enfin, les SPM d'aujourd'hui sont beaucoup trop lents. Dans la nature, les ribosomes mettent des dizaines de millisecondes à ajouter un seul acide aminé à une protéine en croissance. Mais si un assembleur doit fabriquer une copie de lui-même en une journée environ, et si cela prend quelques centaines de millions d'opérations, alors chaque opération doit avoir lieu en une fraction de milliseconde. Un SPM, en revanche, prend des heures pour organiser quelques atomes ou molécules. Plutôt que d'essayer de résoudre tous ces problèmes en un seul pas de géant, nous pourrions les aborder de manière plus progressive en développant une série de systèmes intermédiaires. Une approche, par exemple, serait d'éliminer l'exigence que l'assembleur soit constitué de structures en diamant. Le diamantoïde est attrayant, comme nous l'avons vu, en raison de sa résistance, de sa rigidité et de ses propriétés électriques. Mais un système intermédiaire doit seulement être capable de faire un système plus avancé, et peut-être des produits impressionnants par rapport aux produits d'aujourd'hui. Il n'a pas besoin d'être diamantoïde lui-même.

Cela suggère ce que l'on pourrait appeler la nanotechnologie basée sur des blocs de construction. Plutôt que de construire du diamant, nous allons construire un autre matériau à partir d'unités moléculaires relativement grandes composées de dizaines, de centaines, voire de milliers d'atomes. Ces grands blocs de construction réduisent le nombre d'étapes d'assemblage, donc moins d'opérations unitaires sont nécessaires, et ils n'ont pas besoin d'être aussi fiables. Les blocs de construction solubles qui adhèrent uniquement aux autres blocs de construction, pas au solvant ou aux faibles concentrations de contaminants, éliminent le besoin de travailler sous vide.

En sélectionnant de tels éléments constitutifs, nous avons de nombreux choix : n'importe laquelle des nombreuses molécules que les chimistes ont synthétisées, ou pourraient raisonnablement synthétiser, avec les propriétés souhaitées. Chaque bloc de construction moléculaire doit avoir au moins trois sites où il peut se lier à d'autres blocs de construction. Les unités avec deux sites de liaison suggèrent les polymères omniprésents dans les systèmes biologiques, tels que l'ADN, l'ARN et les protéines. Les blocs de construction qui ont trois sites de liaison rendent la conception de structures tridimensionnelles rigides beaucoup plus facile.

De tels blocs de construction pourraient être liés les uns aux autres en utilisant l'une quelconque d'une variété de réactions chimiques bien comprises. Une possibilité particulièrement intéressante est la réaction de Diels-Alder, dans laquelle un diène (un hydrocarbure avec une double liaison carbone-carbone) peut être amené à réagir avec une molécule spécifique.

Répondre aux sceptiques

Malgré la plausibilité du développement des nanotechnologies, il y a des sceptiques. Leurs critiques sont cependant mal fondées. Par exemple, le chimiste David Jones, un chroniqueur de Nature, a été cité dans Scientific American selon lequel la construction d'un assembleur moléculaire était vouée à l'échec parce que les atomes individuels sont étonnamment mobiles et réactifs. Ils vont se combiner instantanément avec l'air ambiant, l'eau, entre eux, le fluide supportant les assembleurs, ou les assembleurs eux-mêmes.

Les propositions impliquant des outils moléculaires réactifs, cependant, précisent que l'environnement doit être inerte, soit sous vide, soit sous forme de gaz noble ; il n'y aurait pas d'air ambiant avec lequel réagir. Et parce que les outils moléculaires sont contrôlés en position, ils ne réagiront pas entre eux ou avec l'assembleur lui-même, pour la même raison qu'un fer à souder chaud ne réagit pas avec la peau de la personne qui le manie.

On me demande souvent combien de temps il faudra avant de pouvoir fabriquer des ordinateurs moléculaires, avant que des cellules photovoltaïques bon marché n'apportent une énergie solaire propre et bon marché, avant que les engins spatiaux ultralégers ne réduisent considérablement le coût de l'exploration spatiale. La réponse scientifiquement correcte est : je ne sais pas. Mais examiner une technologie que la nanotechnologie peut améliorer - l'informatique - donne une perspective. Des relais électromécaniques aux tubes à vide en passant par les transistors et les circuits intégrés, nous avons constaté des baisses constantes de la taille et du coût des éléments logiques et des augmentations constantes de leurs performances au cours des 50 dernières années. L'extrapolation de ces tendances suggère que pour que la révolution du matériel informatique respecte le calendrier, il faudra le développement de la fabrication moléculaire d'ici 2010 ou 2020.

Bien sûr, l'extrapolation des tendances passées est une méthode philosophiquement discutable de prévision technologique. Bien qu'aucune loi fondamentale de la nature ne nous empêche de développer les nanotechnologies selon ce calendrier (ou même plus rapidement), il n'y a pas non plus de loi qui dit que ce calendrier ne glissera pas. Bien pire, cependant, de telles tendances impliquent qu'il existe un certain calendrier ordonné - que la nanotechnologie apparaîtra inévitablement, indépendamment de ce que nous faisons ou ne faisons pas. Rien ne pourrait être plus éloigné de la vérité. Le temps qu'il faut pour développer cette technologie dépend beaucoup de ce que nous faisons. Si nous le poursuivons systématiquement, cela arrivera plus tôt. Si nous l'ignorons, ou espérons simplement que quelqu'un tombera dessus, cela prendra beaucoup plus de temps. Heureusement, en utilisant conjointement des approches théoriques, informatiques et expérimentales, nous pouvons atteindre l'objectif plus rapidement et de manière plus fiable qu'en utilisant une seule approche seule. Tout comme Boeing peut concevoir, construire et piloter des avions dans un ordinateur avant de les fabriquer dans le monde réel, nous pouvons faire de même pour la fabrication moléculaire. Nous pouvons éliminer rapidement la plupart des faux départs et des impasses et nous concentrer rapidement sur les meilleures approches.

Comme le premier atterrissage humain sur la lune, le projet Manhattan ou le développement de l'ordinateur moderne, l'avènement de la fabrication moléculaire nécessitera les efforts coordonnés de nombreuses personnes pendant de nombreuses années. Combien de temps cela prendra-t-il? Cela dépend beaucoup du moment où nous commençons.

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