Fils de merveille

C'était le genre de découverte qui ne se produit en chimie qu'une fois toutes les quelques décennies, si vous êtes très chanceux. En 1985, Richard E. Smalley et plusieurs collaborateurs de l'Université Rice ont fabriqué une forme de carbone jamais vue auparavant. L'arrangement des atomes de carbone dans chaque molécule ressemblait à un minuscule dôme géodésique, les chercheurs ont donc appelé le matériau buckminsterfullerene après l'architecte qui avait popularisé la forme. Avec son réseau d'atomes bien structuré, le buckyball est rapidement devenu la molécule phare de la nanotechnologie. Puis, au début des années 90, les chercheurs ont fait une autre découverte surprenante : vous pouviez également fabriquer des tubes creux à partir de la même structure de carbone. Les nanotubes de carbone avaient plusieurs fois la résistance de l'acier, la conductivité électrique du cuivre et le diamètre d'une molécule d'ADN. Ils étaient, en bref, des matériaux parfaits pour construire et câbler le monde nano.

Plus d'une décennie après sa découverte initiale, l'enthousiasme de Smalley pour les nouveaux matériaux ne montre aucun signe de déclin. L'année dernière, il a cofondé une entreprise, Carbon Nanotechnologies, pour fabriquer les quantités commerciales de nanotubes qui permettront à d'autres laboratoires de faire avancer la technologie et de développer des applications. Mais son enthousiasme continu pour les fullerènes (comme la catégorie générale de ces molécules à base de carbone est connue) va bien au-delà de l'anticipation des utilisations technologiques futures. Spectroscopiste de formation, Smalley, professeur de chimie à Rice depuis 1976, est fasciné par les molécules elles-mêmes. En acceptant le prix Nobel de chimie en 1996 pour la recherche sur les fullerènes, Smalley a qualifié cette découverte d'une des expériences les plus spirituelles que l'un de nous dans l'équipe originale de [chercheurs] ait jamais vécue.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de mars 2001

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Le Centre pour la science et la technologie à l'échelle nanométrique de 33 millions de dollars, que Smalley a créé en 1995 et dirige maintenant, se trouve au bord du campus Rice à Houston comme un témoignage du potentiel des fullerènes. Le nombre de groupes de recherche au centre de nanotechnologie augmente si rapidement que le propre laboratoire de Smalley a déménagé juste à côté au troisième étage du Rice's Space Science Center. Le rédacteur en chef adjoint de Technology Review, David Rotman, a récemment rendu visite à Smalley pour poser des questions sur l'avenir de la nanotechnologie et savoir pourquoi le lauréat du prix Nobel pense que les nanotubes sont si spéciaux.

TR : Comment l'attention et le financement accrus, tels que l'initiative nanotechnologique de 495 millions de dollars du président Clinton pour 2001, ont-ils affecté le domaine de la nanotechnologie ?

PETIT : Le fait que le président en parle a enhardi les scientifiques et les technologues à commencer à inclure la nano dans leurs propositions. Ils savent quel est le nouveau mot à la mode. Mais ce qui m'a le plus impressionné, c'est la façon dont cette idée s'est imposée à ceux qui font de la science. Et je n'ai pas l'impression que c'est une posture artificielle. Les disciplines fondamentales de la chimie et de la physique se sont réchauffées à cette idée. Une partie de cela a été une réponse au financement. Mais je pense qu'il y a vraiment une appréciation générale qu'il y a vraiment quelque chose ici. La chimie et la physique ont maintenant progressé à un point auquel vous pouvez penser, et dans certains cas, construire et faire des expériences sur des [nano] structures d'une complexité suffisante pour que quelque chose de nouveau se produise.

TR : Y a-t-il un risque que, comme beaucoup d'autres mots à la mode, la nanotechnologie commence à perdre son vrai sens ?

PETIT : J'aime le mot nanotechnologie. Je l'aime parce que le préfixe nano garantit que ce sera une science fondamentale pendant des décennies ; la technologie dit qu'il s'agit d'ingénierie, quelque chose dans lequel vous êtes impliqué non seulement parce que vous vous intéressez au fonctionnement de la nature, mais parce qu'il produira quelque chose qui aura un large impact. Lorsque vous réunissez ces deux choses en un seul mot, il y a une tension. Au fur et à mesure que nos disciplines, en particulier la chimie et la physique, ont mûri, nous traitons maintenant de choses à un niveau très fondamental qui ont une importance pratique.

TR : Quand vous regardez les différents travaux en cours dans le domaine de la nanotechnologie, qu'est-ce qui vous enthousiasme le plus ?

PETIT : Je dois admettre que je suis juste obsédé par les nanotubes de carbone. Il m'est difficile de passer plus de 10 minutes sans en parler. Je pense qu'ils sont la chose la plus cool là-bas, et je pense qu'ils auront le plus grand impact probable. Mais si je m'éloigne de cela un instant, je pense que la recherche sur ce que j'appelle l'interface humide/sec est intellectuellement la plus intrigante pour moi. Il se peut que dans 20 ans, c'est là que nous regarderons en arrière et dirons que nous avons fait d'énormes progrès. Ce que j'appelle le côté humide de la nanotechnologie est la machinerie de la vie cellulaire. À mesure que nous apprenons à interfacer cette machinerie naturelle avec des structures et des systèmes inorganiques et électromécaniques conçus à l'échelle nanométrique (le côté sec de la nanotechnologie), de vastes nouvelles frontières s'ouvriront à la fois en science fondamentale et en technologie pratique.

Cela dit, je peux revenir et dire que les nanotubes seront extrêmement importants pour l'interface humide/sec car ils apportent quelque chose de nouveau au jeu. Les molécules organiques [les molécules contenant du carbone qui sont à la base des êtres vivants] sont magnifiquement polyvalentes, mais il y a certaines choses qu'elles ne peuvent pas bien faire. En fait, il y a certaines choses que les systèmes biologiques n'ont pas encore été capables de comprendre, même après plus de quatre milliards d'années. Une chose est de conduire l'électricité comme le font les métaux. D'autres sont la conduction thermique, la résistance et la ténacité. Les os sont très impressionnants, tout comme les dents. Mais ce ne sont pas de l'acier, et encore moins ce que les nanotubes peuvent faire en termes de résistance et de conductivité. Ainsi, être capable de prendre un nanotube de carbone et de l'introduire dans le domaine de la biologie moléculaire - qu'il soit en fait dissous et qu'il soit l'un des acteurs, ou en tant que sonde, ou en tant qu'élément d'un implant, dans le cadre d'une nouvelle membrane - c'est vraiment apporter quelque chose de tout nouveau à la table en biologie. Presque une chose étrangère.

TR : Une chose étrangère parce que…

PETIT : Parce qu'il conduit l'électricité. Il apporte ces propriétés que vous ne pouvez pas obtenir d'autres molécules organiques. Et c'est toujours du carbone, donc il a de la chimie organique. Voici un objet qui a, à un degré superlatif, les aspects que nous tenons les plus centraux dans le monde inorganique : dureté, ténacité, résistance formidable, conductivité thermique et électrique. Des choses que vous ne pouvez tout simplement pas faire avec de l'os et du bois. Mais il est fait de carbone. C'est quelque chose qui joue le jeu au même niveau de perfection que les molécules et la vie.

Il y a de l'électricité dans les systèmes biologiques, mais elle est due aux ions se déplaçant à travers les membranes. Les nerfs fonctionnent par conduction électrique; les anguilles électriques ont certainement de l'électricité. Mais ce type d'électricité est différent de celui qui circule dans les câbles et les maisons, circule autour des ordinateurs, fait fonctionner les radios. Ce n'est pas le genre d'électricité qui a à voir avec des électrons se déplaçant de manière cohérente sur de longues distances avec peu de pertes. C'est la propriété des métaux, des composés inorganiques.

TR : Et maintenant, les nanotubes pourraient apporter ce type d'électricité aux systèmes biologiques ?

PETIT : Oui. Ils apportent à la biologie moléculaire, aux choses qui se cognent la nuit à l'intérieur d'une cellule, un nouveau jouet avec lequel jouer, quelque chose qui conduit l'électricité.

TR : Quels seront les nouveaux jouets ?

PETIT : Restez à l'écoute pour le prochain millénaire et nous verrons. Je pourrais donner quelques exemples, mais ils sembleraient plutôt piétonniers et ponctuels. Jusqu'à ce que vous ajoutiez quelque chose comme ça au mélange, il n'y a aucun moyen que l'incroyable machinerie des cellules vivantes puisse construire quelque chose qui puisse conduire l'électricité avec l'efficacité des métaux. Ici, nous avons une molécule [organique] qui peut faire cela. Je ne pense pas que quiconque soit assez intelligent pour prédire les vastes implications de cela. Mais Dieu sait combien d'années il faudra avant que les nanotubes fassent partie des cellules vivantes. Avant cela, nous pouvons utiliser des nanotubes comme sondes dans les cellules, comme sondes pour détecter la structure des molécules, pour séquencer l'ADN. Ce sont de merveilleux nouveaux fils pour le faire.

TR : Sur quels projets travaillez-vous avec votre groupe actuellement ?

PETIT : Le principal objectif est la fabrication de nanotubes. C'est l'objectif initial de cette société, allumer le robinet afin que les chercheurs du monde entier aient accès aux tubes de la plus haute qualité que nous puissions éventuellement fabriquer en grande quantité à faible coût. Nous voulons rendre les nanotubes disponibles à un coût suffisamment bas pour laisser libre cours à votre imagination. Ces tubes sont de trois types : les métaux [excellents conducteurs électriques] et deux types de semi-conducteurs. Je veux les produire avec une efficacité suffisamment élevée pour pouvoir livrer un kilogramme d'un tube particulier.

ENFANTS : Vous cherchez donc à rendre les nanotubes plus largement disponibles. D'autres groupes envisagent les nanotubes strictement du point de vue des applications. Quelles sont les applications intéressantes sur lesquelles ils travaillent ?

PETIT : Au terme le plus proche, il semble qu'une application se trouvera sur des écrans [à écran plat]. Un certain nombre d'entreprises disposent déjà de prototypes d'écrans utilisant des nanotubes. Je ne serai pas surpris si vous voyez des écrans utilisant des nanotubes sur le marché d'ici quelques années.

Un autre domaine qui sera rapide est celui des additifs dans les plastiques techniques [utilisés dans des applications structurelles ou de haute technologie comme les boîtiers d'ordinateurs]. Vous pouvez provoquer un comportement antistatique même à des niveaux très, très bas de nanotubes, et un blindage contre les interférences électromagnétiques [interférences électromagnétiques : un tel blindage est utilisé pour protéger les ordinateurs portables et autres appareils électroniques portables] à des niveaux très modérés. Contrairement à tout ce que vous ajoutez aux polymères pour les rendre antistatiques ou pour le blindage EMI, cela augmentera probablement la ténacité et la résistance des plastiques techniques. De plus, je m'attends à ce que dans quelques années, vous trouviez des pointes de nanotubes disponibles dans le commerce sur des sondes de microscope à force atomique. Je pense que l'utilisation dans les gadgets nanotechnologiques en général va vraiment prospérer dans les cinq prochaines années environ.

Ce que nous aimerions voir, c'est que l'entreprise se développe de manière à ce qu'il y ait des incitations économiques à construire un grand processus [de fabrication] et à faire baisser les prix. À l'heure actuelle, le coût des nanotubes est d'environ 500 $ le gramme. Calculer les nombres. C'est près de 230 000 $ la livre. Avec le temps, ce produit sera fabriqué en vrac plus près de 10 $ la livre ou même en dessous. Mais vous devrez construire une usine et le marché doit exister. Le rythme de développement de l'entreprise dépend fortement de ces premiers marchés.

TR : L'espoir est qu'au fur et à mesure que vous obtenez des matériaux plus nombreux et de meilleure qualité, les applications s'ouvrent ?

PETIT : C'est vrai. Et l'année prochaine sera un véritable tournant parce que notre processus fournira à la communauté de la recherche un minimum de 10 kilogrammes. La production totale de nanotubes à paroi unique de toute qualité jusqu'à présent a probablement été inférieure à un kilogramme.

TR : Bien sûr, aucune de ces applications à court terme ne remplit vraiment l'énorme promesse des nanotubes, n'est-ce pas ? Comme agir comme conducteur électrique dans un environnement biologique ?

PETIT : Et ce dont je parlais avant, c'était uniquement sur l'interface humide/sec. Ensuite, vous revenez au côté sec. Il existe une frange lunatique du monde des nanotubes dont nous n'avons pas encore parlé. Au cours de la prochaine année, il y aura dans mon laboratoire, et je soupçonne que dans de nombreux pays du monde, une grande poussée pour développer des moyens de filer des fibres continues - des fibres macroscopiques - de nanotubes avec un degré élevé d'orientation [les nanotubes seraient alignés comme des spaghettis dans une boîte]. Je pense que ça va réussir, et ce sera quelque chose de spécial.

Dans un sens, les nanotubes sont la chose la plus solide que vous puissiez faire dans l'univers et sont d'excellents conducteurs électriques ; dans l'autre sens [perpendiculaire], ils sont souples et la conductivité électrique est assez mauvaise. Ainsi, dans les matériaux où vous voulez une conduction électrique, vous vous souciez de la qualité de l'alignement des nanotubes. Je pense qu'il sera possible de fabriquer des fibres continues de nanotubes dans un processus de filage efficace qui aura tous les tubes alignés. Je n'appellerais pas ça la frange folle ; Je pense que ça va arriver. Mais parlons maintenant de l'extrême vraiment lunatique. Et si ces fibres filées faisaient, au lieu d'un micromètre de long, un kilomètre de long ?

TR : En théorie, vous pourriez fabriquer des fibres de nanotubes d'un kilomètre de long ?

PETIT : En théorie, vous pouvez les rendre à Alpha Centauri. Quelle serait la résistance d'une fibre longue ? Vous auriez la putain de chose la plus forte jamais faite dans l'univers. Pouvons-nous jamais faire ça? Et à quoi bon ? Si vous pouviez le faire à moindre coût et sur une longueur continue, vous pourriez faire le plus long pont suspendu dont vous ayez jamais entendu parler, des ascenseurs dans l'espace. Mais les buckycables seraient aussi de formidables conducteurs d'électricité. C'est le remplacement logique de tous les câbles de transmission d'énergie dans le monde. C'est en marge de la folie, mais je peux le dire parce que je le défends.

TR : Comme vous le savez, des efforts croissants ont été déployés pour utiliser des molécules organiques comme de minuscules commutateurs dans les dispositifs nanoélectroniques ( voir Calcul moléculaire , TR mai/juin 2000 ). Quel rôle pensez-vous que les nanotubes joueront dans l'électronique moléculaire ?

PETIT : À long terme, il semble qu'ils doivent comprendre car ils sont nano et qu'ils conduisent l'électricité. Qu'ils fassent ou non partie des gadgets nanoélectroniques au cours de la prochaine décennie, je pense que personne n'est assez intelligent pour le savoir. En fait, personne n'est assez intelligent pour savoir s'il y aura des gadgets nanoélectroniques au cours de la prochaine décennie. Mais la plupart des gens s'accordent à dire que si vous deviez choisir le conducteur électrique en nanoélectronique, ce serait éventuellement un nanotube. Nous devrons simplement rester à l'écoute pour voir à quelle vitesse cela se produit.

TR : Pour l'instant, même quelque chose d'aussi simple que de placer un nanotube où vous le souhaitez, c'est toujours un défi, n'est-ce pas ?

PETIT : Nous sommes vraiment des enfants, pas même des enfants, des bébés, pour comprendre comment fonctionnent les nanotubes.

TR : Pourtant, je pensais à la vitesse à laquelle le domaine de la nanotechnologie a évolué. Lorsque je vous ai interviewé il y a quelques années, nous avons beaucoup parlé de l'engouement autour des nanotechnologies. Maintenant, avec l'implication de plus en plus de scientifiques sérieux, cela semble être allé au-delà de cela.

PETIT : C'était le facteur clé, l'implication de scientifiques sérieux qui sont très éloignés des nanobots [les robots à l'échelle nanométrique figurent dans de nombreuses visions spéculatives de la nanotechnologie]. Nous n'avons pas tout à fait terminé la tâche de dé-nanobottage du terrain. Mais le point principal est que la nanotechnologie est si importante que nous ne voulons pas qu'elle soit associée uniquement aux nanobots. Qu'ils puissent ou non se produire est un autre problème, mais la réalité de la nanotechnologie est tellement plus large et, à bien des égards, beaucoup plus intéressante.

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