La nanotechnologie en chiffres

Dans sa cabine exiguë de Nanomix, une entreprise de nanotechnologie à Emeryville, en Californie, juste en face de la baie de San Francisco, le physicien théoricien Seung-Hoon Jhi examine un modèle informatique d'un réservoir d'hydrogène, en suivant attentivement le mouvement des molécules individuelles. Alors qu'il élève la température d'une feuille simulée d'atomes de bore et d'azote d'un froid de 50 Kelvin à un peu moins froid de 80 Kelvin, il observe la réaction d'une poignée de molécules d'hydrogène parsemant sa surface. La feuille de nitrure de bore ondule, mais les molécules d'hydrogène tiennent bon. C'est un signe encourageant dans une expérience virtuelle qui vient peut-être d'économiser des semaines ou des mois de tests expérimentaux laborieux dans le cadre des efforts de Nanomix pour développer des matériaux de stockage d'hydrogène plus efficaces pour les voitures à pile à combustible.

C'est du cyberrêve, bien sûr. Mais Jhi et ses collègues de Nanomix sont si confiants dans la véracité de cette modélisation informatisée, reconstituée à partir de calculs précis du comportement d'atomes individuels, qu'ils utilisent les simulations pour concevoir et tester des matériaux qui n'ont jamais été fabriqués auparavant - des matériaux dont l'ordre à l'échelle du nanomètre (un nanomètre est un milliardième de mètre) peut produire des propriétés utiles dans des applications allant des capteurs ultrasensibles aux écrans plats en passant par les revêtements furtifs pour les avions de guerre. Au fond du couloir, à moins de 15 mètres de la cabine de Jhi, les expérimentateurs de l'entreprise s'affairent au laboratoire pour synthétiser les résultats les plus prometteurs de la modélisation.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de septembre 2002

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Alors que Nanomix n'est qu'une des nombreuses startups récentes qui espèrent exploiter des nanomatériaux, l'entreprise parie qu'elle a un avantage : la compétence à la fois pour concevoir virtuellement les matériaux - sans même remuer un bécher - puis aller en laboratoire et les fabriquer . Ses cofondateurs, le physicien théoricien Marvin Cohen et le physicien expérimental Alex Zettl, tous deux de l'Université de Californie à Berkeley, collaborent à une telle alchimie depuis plus d'une décennie. Maintenant, ils espèrent tirer parti de cette expertise comme base d'une entreprise de nanotechnologie. Notre objectif est d'avoir les premiers nanocomposants fonctionnels sur le marché, déclare Charles Janac, PDG de Nanomix.

La conception de matériaux sur ordinateur séduit les chercheurs industriels depuis plus d'une décennie. En théorie du moins, l'idée est assez simple : en utilisant les règles de la mécanique quantique, il est possible de calculer le comportement des électrons qui tourbillonnent autour d'un atome. Avec une puissance de calcul suffisante, on devrait pouvoir utiliser de tels calculs pour concevoir un matériau atome par atome, en intégrant les propriétés souhaitables en ajustant le profil électronique. Le problème est que les propriétés des matériaux résultent des interactions d'un grand nombre d'atomes. Et même les supercalculateurs les plus puissants d'aujourd'hui sont aux prises avec des calculs quantiques impliquant plus de cinq ou six cents atomes, limitant considérablement la capacité de concevoir de nouveaux matériaux.

Mais les nanomatériaux, qui sont souvent des molécules isolées - ou des molécules dont les propriétés découlent d'interactions limitées - constituent une cible beaucoup plus facile pour les ordinateurs. En effet, à bien des égards, la modélisation quantique s'avère être un moyen idéal pour explorer le monde nano. Le pouvoir prédictif de la nano-modélisation, déclare James Tour, chimiste et chercheur de premier plan en nanotechnologie à l'Université Rice à Houston, s'avère être énorme.

Nanomix pense que c'est justement ce pouvoir prédictif qui lui permettra de révolutionner la découverte des nanomatériaux. Grâce à une longueur d'avance sur ses simulations informatiques, l'entreprise, qui a démarré en 2000, conçoit déjà de minuscules capteurs de gaz qui utilisent des nanotubes de carbone, des molécules de quelques nanomètres de large, avec des parois d'un atome d'épaisseur pour détecter les gaz dangereux. D'ici la fin de l'année prochaine, Nanomix prévoit de commencer à vendre ces capteurs à base de nanotubes pour détecter les vapeurs d'essence protégeant les raffineries, les usines chimiques et les stations de pipeline contre les fuites. Chaque capteur devrait coûter 10 fois moins cher qu'un détecteur de fuite classique et fonctionner pendant un an sur une pile de montre. Reliés à des émetteurs sans fil pas plus gros que des timbres-poste, ils pourraient être dispersés par dizaines de milliers, recouvrant une installation industrielle ou coincés dans des vannes sujettes aux fuites pour débusquer les joints défectueux, ce qui n'est pas possible avec des capteurs conventionnels beaucoup plus gros et plus chers.

Dans le même temps, Nanomix élabore des conceptions de nouveaux nanomatériaux pour le stockage de l'hydrogène, des matériaux avec une capacité encore plus grande à stocker l'hydrogène que les feuilles de nitrure de bore sur l'écran de Jhi. Si ces matériaux deviennent réalité, ils pourraient augmenter considérablement les performances des voitures à pile à combustible, rendant enfin les automobiles fonctionnant à l'hydrogène commercialement pratiques. La société a également commencé à réfléchir à la manière dont de nouveaux nanomatériaux tels que les nanotubes pourraient être utilisés dans de minuscules appareils informatiques.

Les nanomatériaux pour les piles à combustible et les nano-ordinateurs mettront probablement des années à se développer. Mais Nanomix pense que son projet de commencer à vendre des capteurs et d'autres applications précoces de la nanotechnologie en fera une entreprise viable bien avant cette date. Les gens continuent de dire que la nanotechnologie est un long chemin à parcourir, et c'est dans le sens où c'est une tendance à long terme qui va avoir un impact énorme sur l'économie mondiale. Mais certaines des premières applications ne sont que dans 18 mois, prédit Janac.

Détecter le succès

Inventer un nouveau matériau, disons un nouveau polymère ou alliage métallique, n'a jamais été facile et est souvent plus un cas de hasard que de conception théorique. Même dans des installations industrielles de premier plan telles que le laboratoire de recherche central de DuPont, qui a inventé nombre des polymères et matériaux de haute technologie les plus importants d'aujourd'hui, le processus est souvent une entreprise aléatoire régie plus par l'instinct des expérimentateurs que par les prédictions calculées de théoriciens. À l'échelle nanométrique, cependant, l'instinct des chercheurs commence souvent à faiblir, alors que les règles étranges du monde quantique prennent le dessus. Nous entrons dans des domaines où notre intuition, qui est souvent basée sur nos expériences antérieures, est vraiment très déficiente, explique Ed Wasserman, conseiller scientifique au centre de recherche et développement de DuPont.

C'est, cependant, un endroit où les physiciens quantiques théoriques se sentent comme chez eux - un royaume où ils peuvent jouer à Dieu, créant de nouveaux matériaux en mélangeant simplement les atomes. L'un de ces dieux est le cofondateur de Nanomix Cohen, un pionnier de la modélisation quantique. Dans les années 1960, Cohen a compris que, puisque seuls les électrons les plus externes d'un atome interagissent pour donner à un matériau ses propriétés, il est possible de simplifier considérablement les calculs nécessaires aux simulations en ne traitant que de ces électrons. Ce raccourci mathématique a révolutionné la modélisation de la mécanique quantique. Si vous faites un calcul entièrement électronique, c'est presque comme essayer de trouver le poids du capitaine d'un navire en pesant le navire, puis en pesant le capitaine avec le navire, explique le physicien de Berkeley Steven Louie, conseiller de Nanomix. En pesant essentiellement le capitaine directement, le logiciel de Cohen permet désormais d'utiliser un PC pour générer rapidement des prédictions sur les nanomatériaux avec de nouvelles combinaisons de propriétés électroniques, magnétiques et de gestion de la lumière.

Mais Cohen s'est également rendu compte que de telles simulations sont aussi réelles que les compétences des expérimentateurs dans le couloir. Ainsi, au début des années 1990, il a commencé à collaborer avec des collègues de Berkeley, comme Alex Zettl, qui avaient de l'expérience dans la synthèse de nouveaux matériaux. La découverte et la synthèse réelle des nanotubes de nitrure de bore en 1994 a été l'un des premiers succès. Cohen, réfléchissant à la structure atomique des feuilles de nitrure de bore, s'est rendu compte qu'il devrait être possible d'enrouler les feuilles pour former des molécules cylindriques. D'autres chercheurs avaient récemment fabriqué des tubes moléculaires similaires à partir de carbone, mais personne n'avait étendu la technique au bore et à l'azote. Cohen et ses étudiants ont démarré leurs modèles et calculé que les nanotubes de nitrure de bore seraient non seulement stables, mais présenteraient des propriétés électriques intéressantes. En moins d'un an, l'expérimentateur Zettl avait trouvé un moyen de fabriquer les nouveaux nanotubes et confirmé les propriétés prédites.

Une astuce scientifique intéressante, bien sûr, mais comment transformer ce type de magie de la physique en entreprise ?

Le défi immédiat pour les chercheurs de Nanomix est de perfectionner les capteurs que Janac a promis de commencer à vendre l'année prochaine. Jusqu'à présent, les théoriciens de Nanomix ont identifié les types spécifiques de nanotubes qui réagiraient le plus sensiblement aux hydrocarbures qui peuvent imprégner les raffineries, les usines chimiques et les pipelines. Ils ont également prédit comment chaque gaz modifierait la conductance à travers les tubes, fournissant une empreinte de tension qui l'identifierait. Maintenant, les expérimentateurs doivent trouver comment produire en masse les dispositifs à base de nanotubes. Et ils doivent fournir un produit suffisamment fiable pour protéger la vie des opérateurs d'usine.

Ce type de développement d'un nouveau matériau peut facilement prendre une décennie. Mais si Nanomix - en utilisant sa modélisation et son expertise théorique pour raccourcir le processus - peut réussir l'année prochaine, il validera sa stratégie pour la nano-invention. Il ouvrira également la porte à tout un monde de capteurs. Pour commencer, Nanomix devrait être en mesure d'adapter les capteurs à nanotubes pour détecter à peu près n'importe quel gaz, du monoxyde de carbone aux composés utilisés dans les armes chimiques. Et la société parraine des recherches universitaires visant à régler les nanotubes pour détecter les bouffées biochimiques de la maladie, mesurer les niveaux d'insuline chez les diabétiques ou détecter les antigènes qui indiquent une infection. Les nanotubes sont la plate-forme de détection ultime, affirme Janac. Vous n'avez pas besoin de plus que la sensibilité d'une seule molécule, votre consommation d'énergie va être de nanowatts, et en termes de taille, vous ne pouvez pas devenir plus petit - du moins dans un avenir prévisible - qu'un nanotube. Nous pensons que nous allons révolutionner le secteur des capteurs avec cette architecture.

Nano-dollars

Mais les défis techniques ne sont pas les seules pressions auxquelles Nanomix est confronté. Non seulement l'entreprise se bat pour commercialiser un nanoproduit, mais elle doit battre la concurrence avec le bassin relativement restreint de financement en capital-risque disponible pour les startups nanotechnologiques. Parmi de nombreux experts, l'enthousiasme suscité par les perspectives des nanotechnologies peut grandir, mais la volonté des investisseurs d'investir de l'argent dans des technologies hautement spéculatives n'augmente pas aussi rapidement. Ce qui signifie que Nanomix, comme un certain nombre d'autres jeunes entreprises de nanotechnologie, doit lutter non seulement pour répondre à des questions scientifiques intimidantes, mais simplement pour survivre.

Alta Partners, basée à San Francisco, a accordé un financement de démarrage à Nanomix en 2000, et l'année dernière, Nanomix avait levé 4,5 millions de dollars. Mais depuis lors, il a été difficile de trouver des fonds supplémentaires, car les investisseurs en capital-risque sont devenus prudents après le krach économique de l'année dernière. Cela a été un long travail pour amener d'autres personnes à investir, explique Peter Schwartz, partenaire d'Alta.

Ironiquement, ce sont précisément les atouts de Nanomix - un solide pedigree académique et une expertise théorique - qui peuvent handicaper l'entreprise face à des investisseurs potentiels méfiants d'un domaine où les résultats ressemblent souvent plus à de la recherche fondamentale qu'à des produits viables. Et la multitude de théoriciens de Nanomix permet particulièrement de confondre l'entreprise avec un laboratoire de recherche fondamentale.

La pression a conduit Nanomix à mettre l'accent à court terme sur le développement de produits au détriment des efforts de l'entreprise en physique théorique. Mais alors que Cohen peut accepter la nécessité immédiate de sortir un produit afin de gagner un soutien financier, il reste attaché à son rêve : une entreprise qui invente et commercialise des nanomatériaux en couplant la modélisation et la théorie quantiques avec une expérimentation habile. C'est un rêve rempli de matériaux exotiques, limité seulement par les règles de la physique et l'habileté de ses praticiens.

Comme de nombreux chercheurs en nanotechnologie, Cohen et ses collègues scientifiques de Nanomix sont convaincus que les nanomatériaux auront des applications non seulement dans la détection et le stockage d'hydrogène, mais aussi dans des appareils électroniques mille fois plus petits que les transistors en silicium d'aujourd'hui, ce qui rend possible des ordinateurs ultrarapides et ultrapetits. Les circuits lilliputiens avec des milliards de nano-composants peuvent encore être des années dans le futur, mais les chercheurs de Nanomix réfléchissent déjà aux nanomatériaux qui pourraient les réaliser.

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