Nanotech : l'art du possible

Dans la ligne de travail de George M. Whitesides, les choses sont mesurées en nanomètres. Un nanomètre est un milliardième de mètre, et pour avoir une idée de sa taille, oubliez les analogies avec la largeur d'un cheveu humain ou la tête d'une épingle. L'échelle nanométrique n'a rien à voir avec des objets familiers. Vous devez penser à un endroit où les objets, y compris les appareils sur lesquels Whitesides et d'autres travaillent, ne sont que légèrement plus gros que les atomes.

Construire des choses à cette échelle s'appelle la nanotechnologie. C'est un domaine en développement rapide avec un potentiel immense; de minuscules appareils pourraient révolutionner l'informatique, le stockage d'informations, les communications et de nombreux domaines imprévus. Mais c'est aussi un domaine sujet aux promesses exagérées, avec des spéculations sur les nanomachines qui sont plus susceptibles d'être trouvées dans Star Trek que dans un laboratoire.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de novembre 1998

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Chimiste et scientifique des matériaux distingué, Whitesides explore ce tout petit monde depuis des années. Après près de 20 ans au MIT, Whitesides a rejoint le département de chimie de l'Université de Harvard en 1982. Le chercheur de Harvard a fourni à la micro- et nanofabrication certaines de ses techniques de construction les plus utiles. Mais Whitesides maintient également un contrôle de la réalité bien formé sur le monde nano. Malgré son enthousiasme évident pour le domaine, il a l'intention de définir ce qui est et ce qui ne l'est pas sera possible.

ENFANTS Le rédacteur en chef David Rotman a récemment rendu visite à Whitesides, professeur de chimie Mallinckrodt à Harvard, dans son bureau de Cambridge pour faire le tri entre les faits et la science-fiction en nanotechnologie.

TR : Commençons par une question de base. À quel point la petite taille se qualifie-t-elle pour la nanotechnologie ?
CTÉS BLANCS : La définition standard est celle des structures fonctionnelles dont la taille des caractéristiques est inférieure à 100 nanomètres, mais je pense que le nombre devrait probablement être de 50 nanomètres ou moins.

TR : Pourquoi la nanotechnologie est-elle si fascinante ?
CTÉS BLANCS : C'est une extension de la microtechnique. Et la microtechnologie est à la base de la fabrication de composants informatiques, et c'est un très gros problème. La microtechnologie s'entend depuis des années sur l'idée que rendre les choses plus petites apporte des avantages - elles sont moins chères, vous obtenez plus de portabilité et plus de performances par dollar. L'idée est que puisque plus petit a fonctionné avec la microélectronique, vous pouvez poursuivre cette tendance au-delà des tailles actuelles en microélectronique, et ce rétrécissement vous amène dans le monde appelé nano.

TR : Quelles technologies spécifiques pourraient sortir de tels travaux ?
CTÉS BLANCS : Un bon exemple est le stockage d'informations. À l'heure actuelle, la taille d'une tache sur un disque CD est de l'ordre de 10 micromètres carrés. Les gens, en particulier les gens d'IBM, ont fait des équivalents de CD qui utilisent des fosses sur un disque en rotation, mais les fosses ont maintenant une taille de 50 nanomètres. Vous pourriez obtenir, dans quelque chose de la taille d'une montre-bracelet, l'équivalent de peut-être 1 000 CD. Cela commence à approcher une fraction de la bibliothèque de référence dont vous avez besoin pour votre vie. Cela soulève des questions intéressantes : que se passe-t-il lorsque vous êtes capable de mettre toutes les informations dont vous avez besoin pour une partie importante de votre vie sur votre montre-bracelet, plutôt que d'avoir à les apprendre ? C'est l'une de ces idées qui modifie un peu la notion de la façon dont une vie devrait être menée. Vous pouvez prendre ces idées et les extrapoler. Vous mettez un micro ou un système de positionnement global sur votre montre-bracelet, vous savez donc où vous êtes. Vous pourriez avoir la capacité de vous localiser, de faire des calculs, d'utiliser des informations, de communiquer.

TR : Où en sommes-nous en termes de réalisation de certaines de ces choses ?
CTÉS BLANCS : Au stade de prototypes de laboratoire. Les gens ont fait de petits CD, mais ce n'est pas quelque chose que vous pouvez utiliser en dehors du laboratoire. Il va être très difficile d'étendre les méthodes de fabrication que les gens utilisent maintenant pour fabriquer ces petites structures à tout ce qui est vraiment manufacturable, mais cela arrivera.

TR : À quel point est-ce un défi ?
CTÉS BLANCS : Nous avons une démonstration de principe de la microélectronique que si vous pouvez rendre les choses plus petites, les gens trouveront beaucoup de choses passionnantes à faire avec. À l'heure actuelle, nous pouvons fabriquer de petites choses dans les laboratoires, mais nous ne savons pas comment fabriquer de très petites choses en masse dans un environnement de fabrication. Et nous ne savons pas comment les utiliser une fois que nous les avons fabriqués. Tant que ce problème de fabrication n'est pas résolu, nous ne saurons pas ce qui peut être fabriqué et nous ne saurons pas à quoi ressemblera la technologie.

TR : La photolithographie qui utilise la lumière ultraviolette pour graver des motifs sur des puces de silicium est la technologie dominante dans la fabrication de microélectronique à l'échelle micrométrique. Mais, je suppose, vous ne voyez pas qu'il a beaucoup d'avenir en termes de nanotechnologie ?
CTÉS BLANCS : La photolithographie a eu beaucoup de succès. Nous avons eu une merveilleuse expérience avec cette technologie, et il y a tout lieu de penser que cela va continuer pendant un certain temps. Mais maintenant, vous commencez à prendre un peu de recul et à dire, eh bien, il est difficile d'aller en dessous de 100 nanomètres, et vous ne pouvez pas construire des choses en 3D. Cela ne fonctionne vraiment pas pour trop de matériaux autres que le silicium et des trucs comme ça. Nous aimerions que les choses soient petites pour qu'elles soient rapides, bon marché et portables et ne consomment pas d'énergie. Comment fait-on cela?

TR : Quelles sont certaines des alternatives ?
CTÉS BLANCS : L'un est les faisceaux d'électrons, dont un mode de réalisation est Scalpel. [Scalpel est un système développé dans les laboratoires Bell de Lucent Technologies qui utilise des faisceaux d'électrons pour modeler des plaquettes de silicium]. Un autre concurrent est la lithographie aux rayons X [ce processus utilise des rayons X pour modeler les plaquettes]. Les deux ont beaucoup de problèmes techniques très difficiles, que nous supposons plus ou moins résolus, mais s'ils sont vraiment assez bon marché est une autre question. Et puis il y a de nouvelles technologies qui arrivent, qui sont, je pense, des plans légitimement longs, comme la lithographie utilisant des atomes neutres ou des faisceaux d'ions. Il s'agit, en ce moment, d'une véritable course hippique quant aux technologies qui seront utilisées en nanotechnologie. Mais ce n'est que le début.

TR : Les limites de la photolithographie sont-elles suffisamment fondamentales pour conduire à un tout nouveau domaine technologique pour la fabrication de la microélectronique ?
CTÉS BLANCS : Ils pourraient être. La photolithographie devient très compliquée et très coûteuse. Pour les usines de nouvelle génération [installations de fabrication pour la fabrication de puces semi-conductrices] qui sont actuellement planifiées pour les années 2000, le coût en capital par usine est estimé entre 3 et 10 milliards de dollars. Si vous voulez un retour sur investissement de 20 % et que vous investissez 10 milliards de dollars, combien de microwidgets devez-vous vendre chaque année pendant les quelques années où cette fabuleuse est à la pointe de la technologie ? La réponse est, beaucoup. Et les gens qui doivent mettre de l'argent n'aiment pas ça.

TR : Il reste donc encore à savoir comment de très petites choses seront fabriquées. Quelles sont les autres inconnues concernant l'avenir de la nanotechnologie ?
CTÉS BLANCS : Il y a le problème que les appareils, lorsque vous atteignez la vraie taille nanométrique, ne fonctionnent plus comme prévu sur la base des extrapolations des appareils existants. Vous obtenez des opinions quelque peu différentes quant à la mesure dans laquelle la technologie existante peut être extrapolée. Je suppose que l'on peut prendre des systèmes existants et les extrapoler quelque part dans la région de 50 à 100 nanomètres. Lorsque vous commencez à rapprocher les fils, les transistors et d'autres composants, ils commencent à se parler, et cette diaphonie devient un problème très sérieux. Les propriétés des matériaux de base utilisés - silicium dopé - deviennent également difficiles à contrôler.

TR : Au-delà du rétrécissement de la microélectronique de plus en plus petit, on a beaucoup parlé de l'utilisation de la nanotechnologie pour d'autres types d'applications mécaniques.

CTÉS BLANCS : Il y a beaucoup de choses qui vont de potentiellement réelles à des choses qui relèvent de la science-fiction. Il y a l'idée de très petites machines autonomes qui nagent dans le sang ou quelque chose comme ça. Je ne vois aucun moyen de les réaliser. La raison en est que, mis à part les problèmes de construction, il y a d'horribles problèmes d'alimentation dans tout ce qui est un système autonome. Il devra y avoir une invention vraiment profonde avant que quiconque comprenne comment alimenter de petits systèmes autonomes. Nous avons des exemples de systèmes alimentés : par exemple, des cellules vivantes ou des organites dans la cellule. Mais la cellule n'est pas réellement un petit objet. Les cellules de mammifères mesurent environ 25 micromètres de diamètre et même les cellules bactériennes mesurent de 1 à 3 micromètres. Les virus, qui sont beaucoup plus petits, ne sont pas alimentés. Le pouvoir est donc une question fondamentale. La friction dans les petits systèmes mobiles est une seconde. La fabrication est un tiers.

TR : Pensez-vous que certaines de ces applications ont été trop médiatisées ?
CTÉS BLANCS : Ce qu'Eric Drexler [K. Eric Drexler est chercheur à l'Institute for Molecular Manufacturing de Palo Alto, en Californie ; son livre Engines of Creation a aidé à populariser la nanotechnologie] et d'autres le font est de construire une série d'idées basées sur la réduction des choses existantes. Ils disent que si vous avez un gros Rotorooter, pourquoi ne pas avoir un petit Rotorooter ?

TR : Mais c'est clairement le cas où juste parce qu'ils sont plus petits…
CTÉS BLANCS : Ils ne sont pas forcément meilleurs. Plus petit n'est pas nécessairement toujours meilleur.

TR : Et ils ne fonctionnent pas toujours comme une simple copie plus petite.
CTÉS BLANCS : À droite. Non seulement ils ne sont pas nécessairement meilleurs, surtout s'ils sont plus chers, mais ils peuvent aussi ne pas fonctionner selon les mêmes principes. Ce qui veut dire que pour de très petites structures, il faudrait probablement inventer de nouvelles architectures et de nouvelles façons de penser le problème, afin de pouvoir faire face aux particularités de ces petites machines. Et bien sûr, l'une des questions intéressantes est la suivante : où vaudra-t-il la peine de fabriquer des machines vraiment très petites ?

TR : Si nous avions cette conversation dans cinq ou 10 ans, devinez de quoi nous parlerions ?
CTÉS BLANCS : Je pense que nous pourrions avoir une conversation légèrement différente. Celui qui traite moins de la façon dont la nanotechnologie a changé le monde que de la façon dont la microtechnologie peu coûteuse l'a changé. Pour l'instant, nous réservons le monde des structures de microfabrication entre plusieurs centaines de nanomètres et quelques microns [un micron est un micromètre, un millionième de mètre] - aux microprocesseurs électroniques et aux systèmes informatiques. C'est une question très légitime de demander ce qui se passe lorsque vous étendez à l'échelle micrométrique de nombreuses choses qui sont maintenant fabriquées à l'échelle centimétrique et millimétrique, et quelles nouvelles fonctions obtenez-vous ?

TR : À quoi penses-tu?
CTÉS BLANCS : Une expression que j'utilise est la technologie à l'échelle du micron avec l'économie du papier journal. Par exemple, au lieu d'acheter un journal, vous pourriez acheter une feuille de papier ; la face arrière serait une batterie, la face avant serait un écran. Vous le lisez, faites défiler pour trouver des ouvrages de référence dessus, voyez des illustrations animées, et lorsque vous avez terminé, vous le jetez. L'une des choses dont nous pourrions parler dans 10 ans est de savoir comment l'électronique à l'échelle du micron utilisant les nouvelles technologies s'est glissée dans toutes sortes de choses. Ma conviction est que presque tout - chaussures, fenêtres, jouets pour enfants, étiquettes d'épicerie, étiquettes d'expédition, cartes de crédit - aura de l'électronique dans quelques années.

TR : Vous mentionnez souvent la biologie et les systèmes naturels. Que vous dit la biologie sur les nanotechnologies ?
CTÉS BLANCS : La biologie fabrique toutes sortes de petites structures très fonctionnelles. Drexler parle de petits moteurs ; nous avons un excellent exemple de petit moteur en biologie, qui est le moteur flagellaire des bactéries. Ce moteur fonctionne vraiment très bien, et il ressemble en fait beaucoup à un moteur. Pouvons-nous soit apprendre à utiliser ces éléments biologiques d'une manière appropriée dans nos appareils, soit mieux comprendre les principes de la biologie, puis apprendre à intégrer ces principes dans des systèmes non biologiques ? Un autre exemple est celui des capteurs. Une grande partie de ce qui est fait dans n'importe quel système biologique est la détection. La rétine, le nez, tout cela repose sur des molécules qui sont des capteurs à l'échelle nanométrique. Comment pouvons-nous utiliser ces idées pour construire des yeux et des nez artificiels ?

TR : La biologie vous dit-elle quelque chose sur les défis à venir ?
CTÉS BLANCS : Nous sommes constitués d'un ensemble hiérarchique de structures et de composants. Nous avons des molécules à l'échelle nanométrique collectées dans des organites, qui mesurent 10 nanomètres à peut-être 100 nanomètres, collectées et travaillant collectivement dans des cellules, qui s'agrègent ensuite en tissus qui nous deviennent. L'un des problèmes en électronique est que nous ne travaillons qu'à deux échelles. Transistors et collections de transistors - et c'est l'appareil. Mais pour tirer pleinement parti du nano, nous devrons penser à cette hiérarchie complète de niveaux de structure.

TR : Quelles sont les grandes leçons que vos recherches en nanotechnologie vous ont apprises ?
CTÉS BLANCS : L'une est l'idée que la fonction est souvent hiérarchique et hiérarchisée. Les molécules font certaines sortes de choses, les objets qui mesurent 10 nanomètres font certaines sortes de choses différentes, les objets qui mesurent 100 nanomètres font encore d'autres sortes de choses différentes. Pour des fonctionnalités complexes, il faut apprendre à construire à partir de petites pièces en grands objets en tirant parti des capacités uniques de chacun. La seconde est qu'il existe des phénomènes spécifiques à la taille. L'une des choses que l'on fait à n'importe quelle échelle est de rechercher la commensurabilité entre le phénomène que l'on regarde et l'objet. Chaque fois que vous voyez que le phénomène et les structures ont des tailles similaires, vous pouvez faire des choses intéressantes. La troisième chose est que pour l'échelle nanométrique en particulier, il n'y a pas de plus riche réservoir d'idées et de stratégies intéressantes que la biologie.

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