La vraie nanotechnologie va-t-elle se lever ?

La grande salle de bal du Boston Marriott avait été remplie d'une foule de plusieurs milliers de scientifiques des matériaux debout, impatients d'entendre la conférence plénière du soir de Richard Smalley sur les nouveaux appareils et matériaux à base de carbone. Ensuite, dans une salle de réunion presque vide de l'hôtel, le chimiste de l'Université Rice a l'air fatigué et épuisé alors qu'il répond aux questions. Puis soudain, il est revitalisé; il se penche en avant et se concentre intensément. La conversation a basculé sur l'un de ses sujets préférés : comment la nanotechnologie aidera à sauver le monde.

Il y a environ 6 milliards de personnes sur Terre, souligne Smalley cette nuit de novembre, et la recherche visant à produire des matériaux meilleurs, moins chers et plus efficaces sera l'une des clés pour nourrir et loger cette population alors qu'elle s'élèvera vers un éventuel état stable de 10 milliards. ou plus. Mais les limites à la force, à la conductivité et à la complexité d'un matériau sont fixées à l'échelle nanométrique, dit-il. Le rêve, dit Smalley, est de construire avec ce niveau de finesse, de le rendre parfait jusqu'au dernier atome. Cette capacité, soutient-il, apporterait des batteries plus petites et plus efficaces, des matériaux plus solides et une électronique considérablement améliorée et moins chère.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de mars 1999

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Ce ne sont pas des délires du dernier futuriste à la mode. Smalley est l'un des chimistes les plus respectés du pays, lauréat du prix Nobel de chimie en 1996 et directeur d'un nouveau centre scientifique et technologique à l'échelle nanométrique de 33 millions de dollars à Rice. Il n'est pas non plus seul. Un nombre croissant de chercheurs partagent la conviction de Smalley que le contrôle de la structure des matériaux jusqu'à quelques atomes ou molécules aura un impact immense sur tout, de l'informatique à la médecine. La capacité de manipuler la matière un atome à la fois fait partie de la science-fiction depuis des années. Mais le développement récent d'outils de haute technologie, en particulier de sondes suffisamment sensibles pour imager et déplacer des atomes et des molécules individuels, a commencé à transformer ces fantasmes en réalité scientifique.

Au cours de la dernière année, deux groupes de chercheurs ont fabriqué indépendamment un transistor à partir d'une seule molécule de carbone. Les scientifiques ont construit des prototypes de dispositifs de stockage d'informations avec des bits de données aussi petits que 50 nanomètres de diamètre. D'autres chercheurs ont récemment fabriqué une molécule qui tourne, agissant comme une nanoroue, ainsi qu'un boulier rudimentaire avec des molécules uniques agissant comme des billes coulissantes.

Ce sont, certes, des nouveautés de laboratoire. Et, en vérité, personne ne sait vraiment ce qui résultera de la science émergente. D'une part, alors que les scientifiques peuvent minutieusement fabriquer des nanodispositifs un par un en laboratoire, ils doivent toujours trouver un moyen rapide et commercialement faisable d'en fabriquer des millions. Ils manquent également de méthodes fiables pour intégrer des composants à l'échelle nanométrique. Mais ces premières étapes fournissent des preuves convaincantes qu'il est possible de construire des nanodispositifs fonctionnels - et elles ont commencé à générer un espoir considérable (ainsi qu'une bonne dose de battage médiatique) que le rêve de Smalley de construire de nouveaux matériaux avec une précision moléculaire deviendra réalité.

Guerres de territoire

ce qui a rendu ce rêve à portée de main, c'est la nouvelle capacité des chercheurs à imager et à manipuler des atomes individuels. Au début des années 1980, les physiciens d'IBM Research à Zurich ont inventé le microscope à effet tunnel (STM), qui a permis pour la première fois de capturer des images directes de la matière à l'échelle atomique. C'est la découverte qui a ouvert le nanomonde. S'appuyant sur le STM et un instrument étroitement lié appelé microscope à force atomique (AFM), les scientifiques peuvent désormais pousser directement les atomes et les molécules et les mettre en place.

Il existe deux formes de manipulation atomique. L'une implique une manipulation physique pour faire glisser des atomes sur une surface métallique pour former des structures 2D. L'autre approche tente de fabriquer des structures stables avec une résolution atomique en rompant et en formant des liaisons chimiques, en utilisant les forts champs électriques générés par l'appareil STM lui-même.

Ce sont encore des investigations de laboratoire exotiques. Mais pour ceux qui travaillent dans les laboratoires de recherche des entreprises et des universités, le développement de ces nouveaux outils puissants signifie que vous pouvez vous lancer dans l'imagerie et la manipulation de structures physiques entièrement nouvelles, selon Donald Eigler, physicien au IBM Almaden Research Center à San Jose, Le groupe de Californie Eigler étudie par exemple le magnétisme de plusieurs atomes perchés sur une surface. Alors que le travail utilisant STM pourrait éventuellement conduire à des progrès dans l'informatique et le stockage de données magnétiques, Eigler n'est pas motivé uniquement par des applications pratiques. Ce qui m'excite le plus, dit-il, c'est quand je vois un aspect de la nature qui n'a jamais été vu auparavant. C'est un nouveau gazon.

Les limites de ce nouveau territoire sont encore en train d'être tracées dans un débat parfois controversé. La plupart des physiciens rapportent que le nanoespace est un endroit mystérieux qui fonctionne selon ses propres règles. Et même des chercheurs comme Smalley, qui pensent que le travail finira par rapporter des avantages significatifs pour la société, soulignent qu'ils commencent tout juste à comprendre la physique du très petit et à apprendre à contrôler le comportement dans ce domaine.

Quelques-uns, cependant, soutiennent qu'ils ont tout compris. Pendant près de deux décennies, K. Eric Drexler, président du Foresight Institute basé à Palo Alto, en Californie, un groupe à but non lucratif qui vise à promouvoir la nanotechnologie, a décrit en détail comment la nanofabrication fonctionnera et changera le monde. Drexler envisage des nanorobots auto-répliquants qui poussent mécaniquement les atomes et les molécules ensemble pour construire un large éventail de matériaux essentiels. Un grand nombre de ces nanorobots travaillant ensemble répondraient aux besoins mondiaux en matériaux presque gratuitement, éliminant essentiellement la faim et la pollution des usines conventionnelles.

C'est une vision utopique à laquelle peu de chercheurs effectuant des expériences à l'échelle nanométrique ont souscrit. Mais, sans surprise, il détient un vaste attrait pour beaucoup d'autres. Cette notion de nanotechnologie a pris sa propre vie. Et pour un large public de passionnés de technologie, ainsi que pour certains dans les médias, il est devenu la version la plus connue du rêve nanotechnologique.

C'est, selon certains scientifiques, exactement le problème. Les idées de Drexler ont peut-être contribué à créer un enthousiasme précoce pour la nanotechnologie, mais après des années à entendre des spéculations grandioses sur un nouveau nanomonde courageux, les chercheurs disent qu'il est temps de laisser la science dépasser les fantasmes. Il n'y a eu aucune vérification expérimentale pour aucune des idées de Drexler, déclare Mark Reed, chercheur en nanoélectronique et chef du département de génie électrique de l'Université de Yale. Nous commençons maintenant à faire les vraies mesures et démonstrations à cette échelle pour avoir une vue réaliste de ce qui peut être fabriqué et comment les choses fonctionnent. Il est temps que la vraie nanotechnologie se lève.

Certains soutiennent que l'avènement de la nanotechnologie pratique est déjà là. C'est un début modeste. Les scientifiques ne construisent pas encore d'appareils électroniques pratiques à partir d'atomes ou de molécules uniques et il n'y a certainement pas de nanorobots dans le coin. Mais Richard Siegel, un scientifique des matériaux à l'Institut polytechnique Rensselaer qui a dirigé l'année dernière un rapport parrainé par la National Science Foundation sur la nanotechnologie, affirme que la synthèse contrôlée de matériaux à l'échelle nanométrique a déjà commencé. Le rapport a également conclu qu'une course mondiale à l'exploitation des nanomatériaux et à la construction de nanodispositifs est bien engagée, menée par de nombreux groupes de recherche universitaires et de grands laboratoires industriels tels que IBM Research, Motorola et le NEC Fundamental Research du Japon.

Pour l'instant, ces matériaux sont principalement fabriqués par des méthodes traditionnelles de synthèse chimique, mais Siegel dit que la disponibilité d'outils pour l'imagerie atomique a commencé à permettre aux scientifiques de créer des nano-structures sélectives. Siegel souligne, par exemple, le développement de matériaux nanocristallins utilisés dans les dispositifs à magnétorésistance géante (GMR) qui ont considérablement accéléré ces dernières années le rythme de l'amélioration du stockage de l'information. La technologie GMR repose sur plusieurs couches de films minces, dont certains n'ont que quelques atomes d'épaisseur ; la superposition précise de ces films minces au niveau moléculaire est responsable de la haute sensibilité du dispositif. Siegel soutient que l'énorme impact de la nanotechnologie viendra de la nanoélectronique. Les nanocristaux utilisés dans le GMR, suggère-t-il, ne sont que la pointe de cet iceberg.

Pour ceux qui fabriquent des appareils de taille micrométrique (maintenant courants dans l'électronique et l'optique de pointe), la collision avec l'échelle nanométrique approche à grands pas. Le domaine en expansion des MEM (machines micro-électromécaniques), qui développe de minuscules machines pour agir comme tout, des microphones aux fusées miniatures, se heurte également au nanomonde et fabrique régulièrement des pièces de travail aussi petites que quelques centaines de nanomètres.

Pour les puristes, cependant, vous devez penser plus petit, beaucoup plus petit, avant d'entrer dans le vrai nanomonde. Pour ces chimistes et physiciens, c'est en dessous d'environ 50 nanomètres que le plaisir commence. Dans cette nouvelle arène, des forces telles que la gravité qui régissent le monde quotidien perdent rapidement leurs significations familières. L'intuition physique échoue lamentablement dans le nanomonde. Vous devez jeter vos idées préconçues, dit Reed. Vous voyez toutes sortes d'effets inhabituels. D'une part, les électrons peuvent aller à des endroits qu'ils ne peuvent pas, selon la physique classique. Dans certains cas, dit Reed, c'est comme lancer une balle de tennis sur une porte de garage et faire sortir la balle de l'autre côté.

C'est également là que l'électronique à base de silicium d'aujourd'hui commence à échouer. À l'échelle nanométrique, les transistors conventionnels laissent échapper des électrons comme des tamis, et les atomes de dopant insérés dans le silicium pour contrôler ses propriétés se comportent comme d'énormes rochers maladroits. Pourtant, si l'échelle nanométrique pose de sérieux obstacles aux technologies électroniques conventionnelles, elle ouvre également de nouvelles possibilités remarquables qui pourraient laisser l'électronique d'aujourd'hui ressembler au modèle T.
Si les appareils électroniques pouvaient être réduits à la taille de molécules individuelles, alors le jeu serait entièrement modifié. L'électronique moléculaire a été proposée dans les années 1970 par Mark Ratner, qui est maintenant à la Northwestern University, et Ari Aviram d'IBM. Pendant des années, c'est resté une idée alléchante bien au-delà des capacités des expérimentateurs. Mais au cours des deux dernières années, des chercheurs de pointe ont commencé à fabriquer de véritables fils et composants à partir de molécules uniques. Et maintenant, ils ont commencé à fabriquer des appareils rudimentaires qui fonctionnent réellement.

À Yale, Reed et ses collègues ont, par exemple, fabriqué une diode à partir de plusieurs molécules organiques individuelles. La simple diode, qui mesure plusieurs nanomètres de long, est loin d'être un appareil pratique, explique Reed. Mais, ajoute-t-il, c'est une première étape encourageante pour fabriquer des transistors et des dispositifs logiques à cette échelle.

Nanonouilles

l'une des clés des progrès de l'électronique moléculaire pourrait être une molécule exotique appelée nanotube de carbone. Cette structure carbonée remarquable - découverte par des chercheurs du NEC du Japon en 1991 - est un proche cousin chimique du buckyball, une nouvelle forme de carbone découverte par Smalley en 1985. Mais alors que le buckyball est une molécule en forme de ballon de football de 60 atomes de carbone, les nanotubes sont de longs tuyaux d'une feuille de graphite enroulée. Ils sont conducteurs d'électricité et ont été transformés en fils de seulement quelques nanomètres de diamètre.

Les nanotubes sont, à la fois littéralement et métaphoriquement, un tunnel entre les mondes nano et macroscopique. Ces structures rendent possible une longue fibre qui n'a que quelques atomes de large. Sur un plan pratique, explique Smalley, les batteries pourraient utiliser des nanotubes à la fois pour transporter des électrons entre les atomes et pour transporter une charge à quelques centimètres. Leur grande vertu est qu'ils sont moléculaires, dit Smalley. Chaque nanotube, dit-il, est une entité qui a son propre comportement et intégrité. Cela signifie que vous pouvez déplacer les molécules de carbone individuelles, comme de minuscules nanologues.

En fait, un nanotube agit un peu plus comme des spaghettis cuits, explique Phaedon Avouris, directeur du groupe scientifique et technologique à l'échelle nanométrique d'IBM Research à Yorktown Heights, NY. Chaque nanotube adhère à une surface et cette adhérence est suffisamment forte pour conserver toute forme que vous poussez-le dedans. L'adhérence assure également un bon contact électrique entre le nanotube et les électrodes métalliques.

Plus récemment, Avouris et ses collègues ont manœuvré l'une de ces nanonoodles pour relier une paire d'électrodes et ont poussé les molécules en anneaux et en lettres. Les scientifiques d'IBM ont également fabriqué un transistor à effet de champ fonctionnel - un dispositif électronique de base - à température ambiante à partir d'un seul nanotube.

Le développement réussi de l'électronique moléculaire signifierait qu'une seule puce pourrait contenir des milliards de transistors à l'échelle nanométrique, rendant un ordinateur plus puissant que les machines d'aujourd'hui. Cela pourrait également signifier la construction d'ordinateurs minuscules et bon marché qui abritent des millions de nano-transistors ; de tels ordinateurs de la taille d'un grain de sel pourraient être intégrés facilement et à moindre coût dans des dizaines d'autres produits, même dans des matériaux intelligents.

La nanotechnologie pourrait également rendre possibles des dispositifs de stockage d'informations d'une immense capacité. Les chercheurs d'IBM Research à Zurich, dirigés par les physiciens Gerd Binnig et Peter Vettiger, construisent un prototype micromécanique qui utilise de minuscules pointes en silicium pour lire et écrire des bits de données de moins de 50 nanomètres de large. Cela se traduirait par des disques durs avec des capacités de stockage de près d'un billion d'octets (téraoctets), soit quelques ordres de grandeur plus grands que les disques durs des PC haut de gamme d'aujourd'hui. Cela pourrait également signifier de petits produits, de la taille d'une montre-bracelet, par exemple, qui ont une immense capacité de stockage.

Dans leurs expériences, Binnig et ses collègues utilisent la pointe AFM pour lire des nanobits d'informations sur une surface polymère. Cependant, l'utilisation d'un seul conseil signifierait un processus beaucoup trop lent pour être pratique. Binnig a donc câblé des réseaux de plus de 1 000 pointes AFM qui agissent en parallèle. Les matrices peuvent rapidement écrire des informations en perçant de minuscules divots dans le substrat et lire les nanobits en détectant les dépressions.
Pendant ce temps, les collègues de Binnig chez IBM Zurich ont utilisé le STM pour produire des nano-objets encore plus petits avec une précision d'horlogerie. James Gimzewski, un chimiste d'IBM, a construit un boulier extrêmement petit. Gimzewski a utilisé la pointe STM comme doigt pour déplacer les billes de boulier, qui sont des boules de Bucky d'un diamètre inférieur à 1 nanomètre.

La dernière invention de Gimzewski est une roue construite à partir d'une molécule en forme d'hélice qui tourne sur une minuscule structure en forme de roulement. Gimzewski dit que si la molécule en rotation suggère d'éventuelles futures nanomachines, la recherche reste embryonnaire. À ce stade, dit-il, si vous pouvez faire fonctionner quoi que ce soit dans le nanomonde, vous ne vous inquiétez pas de son aspect pratique. Nous commençons tout juste. C'est comme si des enfants jouaient avec des Legos.
Le travail de Zurich reflète une croyance profondément ancrée et fortement suisse dans la mécanique. Le physicien Binnig dit que la mécanique a été négligée parce que l'électronique a tellement de succès. C'est considéré comme démodé. Son dispositif de stockage d'informations, cependant, fonctionne plus ou moins comme une minuscule aiguille de phonographe.

Au fur et à mesure que vous explorez le nanomonde, dit-il, les appareils mécaniques deviennent une alternative attrayante à l'électronique.
Binnig dit que l'approche mécanique peut être étendue bien au-delà du stockage de données, et que tout ce que vous pouvez faire électroniquement, vous pouvez le faire mécaniquement. L'électronique est particulièrement efficace pour guider l'énergie le long de chemins précis vers un endroit bien défini. Mais, dit-il, la nanomécanique a l'avantage de fonctionner avec une très faible consommation d'énergie. Alors qu'un appareil nanoélectronique 3D fondrait immédiatement à cause de sa propre chaleur, dit Binnig, vous pourriez imaginer un appareil nanomécanique 3D qui fonctionnerait à froid. De plus, les dispositifs mécaniques peuvent s'avérer plus faciles que l'électronique à intégrer aux systèmes biologiques, optiques et chimiques.

Entrez dans le battage médiatique

c'est quelque part par ici que la science commence à se confondre avec la science-fiction. Si vous pouvez fabriquer une nanoroue, pourquoi pas un nanoengrenage ? Un nanobateau autonome ? Pourquoi ne pas construire un nanorobot pour se déplacer dans les atomes pour vous ?

Et pendant que vous y êtes, pourquoi ne pas créer des nanorobots capables de se répliquer, permettant de doter en personnel des nano-usines capables de reconstituer presque tout à partir des éléments constitutifs de base des atomes ? Bienvenue dans la fabrication moléculaire, telle que prêchée par le nanoévangéliste Drexler. Au cœur de la vision drexlerienne se trouve un gadget appelé assembleur. Cet appareil robotique hypothétique fonctionnerait en positionnant mécaniquement les atomes dans pratiquement n'importe quelle configuration. Si la chimie entre les atomes ne prend pas, l'assembleur appliquerait une petite force mécanique (Drexler et ses disciples l'appellent mécanochimie). Faites travailler des milliards de ces assembleurs en parallèle pour organiser correctement tous les atomes, puis vous pouvez construire à peu près tout ce que vous pouvez imaginer.

Il y a juste un problème : peu de chimistes, de physiciens ou de scientifiques des matériaux voient la moindre preuve que cela sera possible. De nombreux partisans de la vision drexlérienne sont des informaticiens qui aiment simuler comment tout cela fonctionnera. Ils produisent des modèles moléculaires élégants de nanoengrenages et de pompes, mais n'offrent aucun plan clair sur la façon de construire réellement de telles choses.

Les partisans de la fabrication moléculaire ne sont pas découragés par le scepticisme de leurs collègues plus traditionnels, même s'ils concèdent que leur vision mettra des décennies à se réaliser. Les calculs théoriques et la modélisation informatique disent que cela peut être fait, insiste Ralph Merkle, informaticien au Xerox Palo Alto Research Center et directeur, avec Drexler, du Foresight Institute. En particulier, Merkle défend les deux propositions clés qui ont suscité le plus d'enthousiasme chez d'autres scientifiques : la suggestion d'assembleurs auto-répliquants et le contrôle de position des atomes et des molécules pour faire de la mécanochimie.

En auto-réplication, un ordinateur moléculaire dirigerait la construction d'un bras nanorobotique pour construire un autre ordinateur ; ce deuxième ordinateur dirige alors la construction d'un autre petit ordinateur, et ainsi de suite. L'auto-réplication est un concept qui fait son chemin en informatique depuis des années, dit Merkle, et logiquement, cela devrait fonctionner. L'idée du contrôle de position exige que les bras robotiques placent avec précision les atomes et les molécules de manière à ce qu'ils se lient, formant ce que vous voulez. Tant que vous ne violez aucune loi physique, dit Merkle, cette approche mécanique de la chimie a du sens.

Mais les critiques de Drexler soulignent que la chimie est un processus très complexe au niveau moléculaire. Jouer au jeu de la chimie, dit Smalley, signifie contrôler les atomes en trois dimensions. A chaque site de réaction, les atomes subissent l'influence d'une dizaine d'atomes voisins ; pour faire de la mécanochimie, il faudrait contrôler le mouvement de chacun. Pour un nanorobot, ce serait un acte de jonglage incroyablement compliqué. D'autres chercheurs très respectés rejettent simplement les idées de Drexler d'emblée. D'après Eigler d'IBM : Il n'a eu aucune influence sur ce qui se passe dans les nanosciences. D'après le peu que j'ai vu, les idées de Drexler sont des notions nanofantaisistes qui n'ont pas beaucoup de sens.

Lignes d'assemblage

dans tous les cas, avant que les chercheurs ne s'inquiètent de la construction de nano-usines, ils doivent trouver un moyen pratique de produire en masse n'importe quel appareil à l'échelle nanométrique. Certains espèrent faire fonctionner diverses formes exotiques de lithographie (la lithographie optique est la technologie standard utilisée pour graver des motifs sur des puces de silicium) en dessous de 100 nanomètres. Mais à quel point les méthodes lithographiques pourraient devenir petites et rapides est une énigme (voir Chips Go Nano, p. 55). De même, pousser les molécules une à une à l'aide d'un STM est un moyen extrêmement lent et difficile de faire quoi que ce soit. De plus, une fois que vous avez terminé, vous n'avez encore qu'un tout petit objet. Construire une seule puce informatique, un atome à la fois, en utilisant la technologie STM d'aujourd'hui, prendrait, selon une estimation, 1 000 ans.

Une solution consiste à relier les pointes STM ou AFM dans un réseau qui fonctionne en parallèle, une chaîne d'assemblage nanomécanique qui pourrait plaire à Henry Ford. C'est la stratégie que Binnig d'IBM adopte dans son dispositif de stockage d'informations. Et bien que le câblage de ces minuscules baies et leur transformation en un appareil fonctionnel soit une corvée, les recherches préliminaires d'IBM Zurich et de plusieurs autres laboratoires suggèrent que cela pourrait bien fonctionner.

Mais beaucoup pensent que la réponse à plus long terme réside dans un processus appelé auto-assemblage. Contrairement au plan de construction drexlerien qui utilise des nanorobots auto-répliquants pour déplacer les atomes, l'auto-assemblage s'appuie sur la chimie pour positionner les pièces d'une structure à l'échelle nanométrique, tirant parti de la capacité de certaines molécules à s'organiser dans des structures complexes. En termes chimiques, l'auto-assemblage fonctionne car les molécules recherchent le minimum thermodynamique de la structure que vous souhaitez. Considérez-le comme une maison préfabriquée qui se construit en utilisant la chimie.

Mais jusqu'à présent, les chimistes et les scientifiques des matériaux n'ont appris à construire que les structures les plus simples. L'exploit d'assembler des caractéristiques spécifiques dans les matériaux et de combiner différents matériaux reste un défi de taille.

La solution à ce problème pourrait déterminer quels nanodispositifs sont pratiques et combien de temps il leur faut pour arriver sur le marché. Pour la plupart des applications, vous auriez besoin de fabriquer et d'intégrer des milliards de nano-objets. Et pour rivaliser dans des domaines tels que les technologies de l'information, vous devrez le faire à très bon marché. Cela, disent de nombreux scientifiques, nécessitera les prouesses de synthèse de la chimie. Ne vous attendez pas à ce que quelqu'un en arrive au point où vous ajoutez des ingrédients dans un bécher et sortez un circuit intégré, dit Yale's Reed. Cependant, l'espoir est que l'auto-assemblage puisse éventuellement placer les dispositifs nanoélectroniques là où vous le souhaitez, dit Reed.
Cela prendra du temps. Mais il y a des signes encourageants que cette approche fonctionnera. L'auto-assemblage est, dans un sens, où la chimie et la science des matériaux - les arts de la construction de véritables objets - rencontrent la physique à l'échelle nanométrique. La physique a fourni aux scientifiques les moyens de manipuler des nanoobjets et de comprendre le fonctionnement du nanomonde, et maintenant les chercheurs se tournent vers la chimie et la science des matériaux pour les prochaines avancées qui aideront à transformer tout ce travail en une technologie pratique.

Personne ne sait vraiment d'où viendront ces percées, ni même si elles viendront. Mais, à mesure que la science du nanomonde se développe, la forme des possibilités réelles commence à émerger du nanobrouillard.

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