Vous avez dit « nano » ?

L’association des Amis du Docteur Jean Hameau proposait une conférence sur un thème tout à fait nouveau et bien utile à notre culture technique parfois défaillante ! Les nanoparticules , de quoi s’agit-il ? Quel est leur intérêt ?

Image CNRS

Merci au Docteur Jean-Marie Chabanne pour cette contribution et bonne lecture !

Quelques extraits de la conférence de :

Christophe VIEU,

Professeur de physique INSA Toulouse et chercheur

au Laboratoire d’analyse et d’Architecture des Systèmes (LAAS) du CNRS

Pourquoi ces toutes petites choses, qui sont nanométriques, sont si puissantes et vectrices de tant de promesses.

Définitions

D’abord, une définition :  les nanotechnologies sont un ensemble de techniques et de procédés visant à la miniaturisation à l’échelle nanométrique (de 1 à 100 nm) dans le but d’applications spécifiques tirant profit des propriétés nouvelles liées à cette réduction des dimensions. Les nanotechnologies, de par leur complexité, sont des technosciences emblématiques, car elles n’ont aucune finalité en soi. Elles sont définies uniquement par une dimension : il s’agit simplement de fabriquer des objets qui sont extrêmement miniaturisés, à l’échelle nanométrique, donc légèrement supérieure à l’échelle atomique. En effet à cette échelle-là, de très nombreuses propriétés nouvelles émergent, résultant de cette dimension et l’on veut en tirer profit pour de nombreuses applications. C’est pour cela que les nanotechnologies sont vectrices de tant de promesses mais aussi de tant d’incertitudes et de risques, et c’est cela qui en fait des technosciences très emblématiques. Elles ne répondent à aucun besoin particulier et n’ont pas de finalités en elles-mêmes, et c’est cette complexité qui fait la richesse de leur étude et de leur description.

Grands Concepts et Applications

Je voudrais expliquer pourquoi les nanos sont si puissantes à travers 5 idées de base. Je le ferai de manière très simplifiée (et je m’en excuse auprès de mes collègues scientifiques). C’est une chose que je pratique depuis très longtemps au niveau des collèges, expliquer ce que sont les nanos en termes simples.

-Première idée : dans le « nano » tout est milliard ou milliardième

Cette première idée de base a déjà été évoquée par Malik Ghallab, et cela fait le lien direct avec ce qui précède. Un nanomètre est un milliardième de mètre, et donc dans un tout petit objet, que l’on appelle un processeur, je peux en incorporer énormément et c’est cela qui fait la puissance de calcul qui vient d’être décrite par Malik Ghallab. Aujourd’hui on sait que la loi de Moore ira jusqu’à environ 10 milliards de transistors dans un processeur. Faisons un petit calcul : ce processeur est commercialisé actuellement pour un prix de 100€, alors si on divise 100€ par 10 milliards de transistors, il faut inventer une nouvelle monnaie car chacun de ces transistors coûte à peu près 10 nano euros. Ne cherchez pas des pièces de ce type dans votre porte-monnaie ! Ainsi, très rapidement, quand on parle de nanotechnologies, on parle de très petit, on parle de milliardièmes, on parle de milliards… et on parle d’argent.

En nanoélectronique pourquoi ces processeurs sont-ils si puissants ? Les composants électroniques (processeurs, mémoires…) grand public sont peu onéreux, miniaturisés (furtifs), on peut les intégrer au sein de tous types de choses : papier, textile, murs, le corps … Et donc on peut en mettre un peu partout et rendre tous ces dispositifs communicants, comme l’a expliqué Malik Ghallab, ce qui place les nanotechnologies au cœur de ce que j’ai appelé l’électronification de notre environnement.

On peut donc mettre, dans les objets qui nous entourent, des capteurs communicants, qui ont de la mémoire embarquée et qui font du calcul. On parle d’en mettre dans les murs, dans les objets, sur soi et très probablement bientôt dans soi. Donc les nanos sont au cœur de cette révolution numérique. Pour ajouter une dimension supplémentaire je vais aussi évoquer à travers les nanos d’autres aspects qui nous éloignent du seul numérique mais qui se recoupent aussi in fine.

-Deuxième idée : les lois de la physique changent à l’échelle nano

La deuxième idée de base est que, lorsque l’on crée un objet nanométrique, les propriétés de cet objet sont nouvelles. L’humanité sait depuis longtemps que, si l’on veut contrôler les propriétés d’un matériau, il suffit de choisir le bon atome qui le constitue. Rapidement la Physique du solide, au XXe siècle, a montré que les propriétés d’un matériau fait d’un certain type d’atomes sont aussi déterminées par la structure cristalline, c’est-à-dire l’agencement de ces atomes entre eux. A la fin du XXe siècle et au début du XXIe siècle, grâce aux nanos, on découvre que, non seulement la nature des atomes et leur structure cristalline dictent les propriétés, mais aussi directement la taille des objets fabriqués à partir de ces matériaux dès lors qu’elle s’approche du nanomètre. Aujourd’hui nous pouvons expliquer cela dans le parcours universitaire dès la licence par la Physique Quantique.

Un exemple est donné par ces petites bouteilles de solutions liquides contenant des nanoparticules obtenues avec le même matériau et l’on peut voir que la couleur de ces solutions ne dépend pas de la nature du matériau, ni de sa structure cristalline, mais elle dépend seulement de la taille des nanoparticules qui ont été dispersées dans ces solutions. On voit que la couleur change avec la taille, et il en est de même pour les propriétés électroniques, les propriétés mécaniques, les propriétés thermiques… et pour l’ingénieur cela donne évidemment la possibilité de faire des objets nouveaux aux propriétés exceptionnelles en jouant non plus sur la nature des matériaux mais sur la taille des objets que l’on fabrique. Et cet effet intervient dès que la Physique Quantique commence à apparaitre, c’est-à-dire en dessous de 10 nanomètres.

Images 8 et 9

-Troisième idée : augmenter la surface d’un objet à volume constant

La troisième idée de base est que, lorsqu’un objet devient petit, tout devient surface. La surface d’une sphère  est 4πR2 et son volume 4/3πR3, et donc le rapport surface/volume est de la forme a/R. Si R tend vers zéro, ce rapport tend vers l’infini, cela veut dire que si un objet est très petit, la très grande majorité de ses atomes sont à sa surface. Or, la surface d’un objet, c’est là où tous les échanges d’énergie et de chaleur se font avec l’environnement, c’est là où les réactions chimiques prennent place. Donc si on réalise un objet « qui n’a que des surfaces », on décuple toutes ces facultés-là. De plus, comme c’est nanométrique, nous multiplions les propriétés, non pas par 2 ou 3, mais par un milliard. Ce processus est donc très efficace, et en faisant des objets nanométriques on peut faire des meilleures électrodes pour nos batteries, on peut dépolluer des environnements (de l’eau dans l’exemple du milieu), ou l’on peut rendre catalytiques et extrêmement réactifs des matériaux qui sont à l’état massif complètement inerte comme l’or.

-Quatrième idée : ce qui est petit se faufile partout

La quatrième idée des nanos est que, lorsqu’un objet devient petit, il se glisse partout, dans tous les interstices. Et cela a été beaucoup étudié par ce que l’on appelle aujourd’hui la nano-vectorisation des médicaments. L’idée est que si l’on met des médicaments à l’intérieur de petits objets nanométriques, une fois à l’intérieur du corps, ces petits vecteurs de médicament pourront se faufiler, franchir certaines barrières biologiques, et amener le médicament exactement sur l’organe qui nécessite une thérapie ou le site infectieux. Il y a eu énormément de développements nanotechnologiques autour de ces nanovecteurs de médicaments, et plusieurs centaines de formulations de nanovecteurs de médicaments sont aujourd’hui utilisées en médecine après avoir passé différentes phases cliniques. L‘idée est donc, au lieu de disperser massivement dans le corps la molécule qui va vous soigner, d’essayer, en l’emprisonnant dans ces nano-objets, de la délivrer exactement sur l’organe qui est ciblé.

-Cinquième idée : « Le vivant » fonctionne à l’échelle NANO

La cinquième idée fondamentale est que le livre du vivant s’écrit aussi avec les nanotechnologies, pour plagier ce qu’a dit Malik tout à l’heure. En effet si l’on regarde comment fonctionne une cellule vivante, et si l’on va à l’intérieur de la cellule, dans les différentes organelles ou bien ou au sein du cytosquelette, on découvre tous les moteurs biologiques internes et  on s’aperçoit que nos cellules vivantes sont bourrées de nanomachines qui font tout le travail à l’intérieur de la cellule, et que cela explique comment elles peuvent communiquer avec l’extérieur, comment elles s’organisent, comment elles bougent. Tout cela est affaire de nanomachines. Donc en maitrisant les nanotechnologies, on peut commencer à faire l’interface avec ces cellules vivantes, et avec les nanos indiquer à une cellule ce qu’elle doit faire.

Sur l’image 13 ci-dessus, on est intervenu sur une surface à l’échelle nanométrique et l’on a indiqué aux neurones comment ils doivent s’organiser au-dessus de cette surface. Vous voyez les longs filaments, qui sont les futurs axones, s’organiser à gauche, à droite et au milieu exactement de la façon dont nous l’avons imaginé et dicté. Cela montre que, par les nanotechnologies, on commence à pouvoir expliquer à des cellules vivantes leur destin, parce qu’elles doivent croitre et pousser dans telle direction, voire se différencier.

Controverses

Ces cinq idées sont au cœur de beaucoup de promesses qui touchent aussi bien l’électronique, la médecine, les nanomatériaux et la chimie que l’environnement. Evidemment il y a énormément de controverses. On a cette vision d’objets connectés qui vont nous surveiller en permanence et donc cela agite ce que certains ont appelé le « big brotherisme » cher à Georges Orwell.

Images 14 et 15

Ainsi ces nanomatériaux, du fait de leur petite taille, peuvent se faufiler partout, c’est très intéressant pour amener un médicament sur un endroit très particulier chez un patient. Mais il en sera de même pour des nanomatériaux utilisés dans différents produits (renforts mécaniques, crêmes solaires…). , Ainsi si  au cours du cycle de vie de ses produits, ces nanomatériaux peuvent se retrouver dispersés dans l’environnement et entrer en interaction directe avec le vivant, Il va exister des risques certains de toxicité. La toxicité de ces nanomatériaux est la contrepartie duale de tous les aspects bénéfiques qu’ils peuvent avoir par ailleurs.

Au niveau de la nanomédecine, c’est grâce aux nanotechnologies que l’on sait aujourd’hui séquencer le génome à un coût inférieur à 1000€, et cela pose, de facto, le problème du séquençage de masse qui a été évoqué ce matin à propos des lois de bioéthique. Evidemment, lorsque l’on commence à comprendre comment des cellules peuvent se comporter au contact des nanotechnologies, on peut imaginer utiliser ces dernières avec des cellules souches pour dupliquer des organes sur puces afin de réparer et donc de faire de la médecine régénérative. De là à augmenter l’humain avec les nanotechnologies, il n’y a qu’un pas. En recherche beaucoup de publications aujourd’hui montrent qu’il y a un certain nombre de choses qui peuvent être faites avec le tissu vivant et notamment le tissu humain. Et on trouve un slogan assez provocateur sur l’image 14, « oui les transhumains aiment les nanos ». Et assurément, Big Brother aime les nanos.

Et sur l’image 15 ci-dessus, voici le résumé du champ que je viens de couvrir, les 5 idées de base, les divers secteurs d’application et globalement les controverses les plus fréquentes.

Dérives

Quelques dérives maintenant, pour faire un peu de provocation, mais elles existent, chacun à son niveau pourra en déceler notamment sur internet.

Vous pouvez dépenser un peu de votre argent, grâce aux nanotechnologies, pour faire un certain nombre de test génétiques sur un prélèvement buccal, sur ceux de vos proches et de votre animal domestique. Certains vous promettront  de vous indiquer avec qui vous avez tout intérêt à former un couple durable, afin de savoir quel sera l’harmonie de vos relations sexuelles, quel sera votre avenir de santé, quel est votre origine raciale, c’est écrit ainsi, et pourquoi ne pas faire des tests de paternité…

Autre dérive, (là je vais être un petit peu plus critique), les nanotechnologies selon certains vont permettre à l’humain, très rapidement, de devenir « amortel ». Comment peut-on dire de pareilles choses ? Les concepts manipulés derrière cette annonce sont les suivants : aujourd’hui, grâce au séquençage (qui vient des nanos) auquel s’ajoute l’Intelligence Artificielle (IA), qui utilise d’ailleurs les nanos pour faire des tas de calculs très rapidement, on peut découvrir les gènes qui provoquent l’altération des cellules et, grâce à une technologie issue des biotechnologies, (les fameux ciseaux moléculaires dont on a déjà parlé ce matin), on peut éventuellement réparer ces gènes et faire de la thérapie génique. Finalement, en faisant cela, on peut reprogrammer toutes les cellules de son être afin qu’elles ne vieillissent pas. Et c’est la fin du vieillissement et l’amortalité. Malheureusement, ce procédé est trop lent : aujourd’hui dans cette salle il n’y aura pas d’amortel. Vous n’allez pas gagner, chaque jour, une espérance de vie qui soit supérieure à 24 heures. Pour accélérer cette course en avant certains proposent de réaliser ce qui est décrit sur cette diapositive, on crée des organes sur des puces, avec des tissus humains, avec des cellules souches, on les fait communiquer avec des tuyaux de microfluidique et certains baptisent cela un « Human on Chip ». Si un humain se résume à quelques cellules qui baignent dans des milieux de culture reliés par des tuyaux, il n’y a plus rien à espérer de l’humanité.

Je cite en particulier sur la diapositive quelqu’un que nous connaissons, un chercheur, que nous avons côtoyé dans des laboratoires publics du CNRS, (qui ont été financés par votre argent), et cette personne dit la phrase que vous pouvez lire sur la diapositive. Il est aussi entrepreneur, il a créé des startups… Et il me parait extrêmement irresponsable qu’à l’heure de l’anthropocène, à l’heure de la surpopulation mondiale, il y ait des gens qui fassent un projet de recherche entrepreneurial et qui lèvent des fonds sur cette idée que nous devons éthiquement devenir amortels.

Image 17

La Responsabilité

Voilà quel pourrait être mon message final : les acteurs des technosciences, et notamment autour des technologies, doivent penser les technosciences. Il y a trois lignes directrices. En premier, l’épistémologie : c’est nous qui sommes en train de découvrir ces nouvelles technologies, c’est donc à nous de faire un effort pour savoir d’où elles viennent, comment elles évoluent par rapport aux technologies passées et quels sont les nouveaux problèmes qu’elles posent (sont-ils vraiment nouveaux et quels sont-ils ?). En second, la responsabilité : nous sommes responsables aujourd’hui, vis-à-vis des générations futures, de ce qui adviendra demain. En troisième, c’est le plus essentiel et c’est sur ce plan-là que je me suis le plus engagé, c’est ce que j’appelle la capacitation citoyenne : les chercheurs, parce qu’ils manipulent des concepts très compliqués, entrelacés, doivent aller rencontrer les gens et les mettre en capacité de faire des choix. L’idée ce n’est pas de les transformer en experts, on croule sous le poids des experts, mais c’est une question de jugeote, de bon sens : il faut de la matière argumentative pour faire des choix raisonnés en démocratie.

Conclusion : le Vivant à l’épreuve des Technosciences

Aujourd’hui ce qui m’intéresse c’est le vivant, principalement à travers les technologies. Je suis parti de l’électronique, et maintenant je travaille beaucoup sur la biologie et la médecine. C’est la troisième transition, la biologie était physiologique, elle est devenue moléculaire et aujourd’hui elle est technicisée. Le vivant se couple avec des artifices.

Image 20

Et évidemment se posent des questions essentielles, éthiques, très profondes et qui sont liées à la condition humaine. Aujourd’hui les débats sont très tranchés entre ceux qui refusent de considérer que l’humain puisse évoluer, (il est, d’une certaine façon, sacré, et l’on ne doit pas le modifier), et d’un autre côté ceux, et notamment des chercheurs, (car tous les chercheurs ne pensent pas à l’éthique, soyez en persuadés), qui au contraire pensent que l’humain doit se donner les moyens de se changer et de se transformer.

Entre les deux il y a probablement un juste milieu et c’est sur cela que je travaille à l’heure actuelle à titre personnel. Chacun peut de même se forger sa propre idée, de manière à pouvoir exprimer un avis sur ce qui est mesure ou au contraire démesure. Attention à la Technologisation du Vivant, au fait de considérer le Vivant simplement comme une machine faite de pièces interchangeables. On doit pouvoir essentialiser le vivant, sans opposer le vivant et la technologie, c’est sur cette route que nous devons engager la réflexion.

Image 21

Alors, améliorons nous mais restons humains

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