Avantages et applications de la nanotechnologie

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La nanotechnologie est la science des nanoparticules. Elle est un domaine de recherche connu depuis le siècle dernier. Depuis que la «Nanotechnologie» a été présentée par le lauréat du prix Nobel Richard P. Feynman lors de sa célèbre conférence de 1959 «There’s Plenty of Room at the Bottom» (Feynman, 1960), divers développements révolutionnaires ont été réalisés dans le domaine de la nanotechnologie. Après plus de 20 ans de recherche fondamentale en nanosciences, les applications de la nanotechnologie réalisent de manière à la fois attendue et inattendue la promesse de la nanotechnologie de profiter à la société. Les nanotechnologies contribuent à améliorer considérablement, voire à révolutionner, de nombreux secteurs technologiques et industriels: technologies de l’information, sécurité intérieure, médecine, transports, énergie, sécurité alimentaire et sciences de l’environnement, entre autres.

Approches de génération d’énergie à partir de (A) Actionneurs piézoélectriques (B) Division de l’eau (C) Réduction de CO2. © Ibrahim Khana, Khalid Saeedb et Idrees Khanc (2019).

Matériaux et procédés de tous les jours

De nombreux avantages de la nanotechnologie dépendent du fait qu’il est possible d’adapter les structures des matériaux à des échelles extrêmement petites pour obtenir des propriétés spécifiques, étendant ainsi considérablement la boîte à outils de la science des matériaux. Grâce à la nanotechnologie, les matériaux peuvent être rendus plus solides, plus légers, plus durables, plus réactifs, plus semblables à des tamis ou de meilleurs conducteurs électriques, entre autres caractéristiques. De nombreux produits commerciaux courants sont actuellement sur le marché et utilisés quotidiennement et reposent sur des matériaux et des procédés à l’échelle nanométrique:

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1. Les additifs à l’échelle nanométrique ou les traitements de surface des tissus peuvent fournir une déviation légère de l’énergie balistique dans les gilets pare-balles personnels, ou peuvent les aider à résister au froissement, aux taches et à la croissance bactérienne.

2. Les films transparents à l’échelle nanométrique sur les lunettes, les écrans d’ordinateur et d’appareil photo, les fenêtres et d’autres surfaces peuvent les rendre hydrofuges et anti-résidus, antireflet, autonettoyants, résistants aux rayons ultraviolets ou infrarouges, antibuée, antimicrobiens, résistants aux rayures ou conducteurs d’électricité.

3. Les matériaux à l’échelle nanométrique commencent à permettre des «tissus intelligents» lavables et durables équipés de capteurs et d’électronique nanométriques flexibles dotés de capacités de surveillance de la santé, de capture de l’énergie solaire et de récupération d’énergie par le mouvement.

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4. L’allègement des voitures, des camions, des avions, des bateaux et des engins spatiaux pourrait entraîner d’importantes économies de carburant. Des additifs à l’échelle nanométrique dans les matériaux composites polymères sont utilisés dans les battes de baseball, les raquettes de tennis, les vélos, les casques de moto, les pièces automobiles, les bagages et les boîtiers d’outils électriques, ce qui les rend légers, rigides, durables et résistants. Des feuilles de nanotubes de carbone sont maintenant produites pour être utilisées dans les véhicules aériens de nouvelle génération. Par exemple, la combinaison de la légèreté et de la conductivité les rend idéales pour des applications telles que le blindage électromagnétique et la gestion thermique.

5. La nano-bio-ingénierie des enzymes vise à permettre la conversion de la cellulose des copeaux de bois, des tiges de maïs, des graminées vivaces non fertilisées, etc., en éthanol pour le carburant. Les nanomatériaux cellulosiques ont démontré des applications potentielles dans un large éventail de secteurs industriels, notamment l’électronique, la construction, l’emballage, l’alimentation, l’énergie, les soins de santé, l’automobile et la défense. Les nanomatériaux cellulosiques devraient être moins chers que de nombreux autres nanomatériaux et, entre autres caractéristiques, vanter un impressionnant rapport résistance/poids.

Image haute résolution d’un nanocomposite polymère-silicate. Ce matériau a des propriétés thermiques, mécaniques et barrière améliorées et peut être utilisé dans des récipients pour aliments et boissons, des réservoirs de stockage de carburant pour aéronefs et automobiles, et dans des composants aérospatiaux. © NASA

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6. Les nanomatériaux utilisés dans les produits automobiles comprennent les systèmes de batteries rechargeables haute puissance; matériaux thermoélectriques pour le contrôle de la température; pneus à faible résistance au roulement; capteurs et électronique à haut rendement/faible coût; panneaux solaires intelligents à couche mince; et des additifs pour carburant pour un échappement plus propre et une autonomie prolongée.

7. Les revêtements céramiques nanostructurés présentent une ténacité bien supérieure à celle des revêtements conventionnels résistants à l’usure pour les pièces de machines.

8. Les lubrifiants et les huiles moteur issus de la nanotechnologie réduisent également considérablement l’usure, ce qui peut prolonger considérablement la durée de vie des pièces mobiles dans tous les domaines, des outils électriques aux machines industrielles.

9. Les nanoparticules sont de plus en plus utilisées en catalyse pour stimuler des réactions chimiques. Cela réduit la quantité de matériaux catalytiques nécessaires pour produire les résultats souhaités, ce qui permet d’économiser de l’argent et de réduire les polluants. Deux grandes applications sont le raffinage du pétrole et les convertisseurs catalytiques automobiles.

10. Les matériaux nano-fabriqués font des produits ménagers de qualité supérieure tels que les dégraissants et les détachants ; capteurs environnementaux, purificateurs d’air et filtres ; nettoyants antibactériens; et des peintures et produits d’étanchéité spécialisés, comme des peintures autonettoyantes pour la maison qui résistent à la saleté et aux marques.

11. Des matériaux à l’échelle nanométrique sont également incorporés dans une variété de produits de soins personnels pour améliorer les performances. Le dioxyde de titane et l’oxyde de zinc à l’échelle nanométrique sont utilisés depuis des années dans les écrans solaires pour protéger du soleil tout en étant invisibles sur la peau.

Applications électroniques et informatiques

La nanotechnologie a grandement contribué aux avancées majeures de l’informatique et de l’électronique, conduisant à des systèmes plus rapides, plus petits et plus portables capables de gérer et de stocker des quantités d’informations de plus en plus importantes. Ces applications en constante évolution comprennent:

1. Les transistors, les commutateurs de base qui permettent toute l’informatique moderne, sont devenus de plus en plus petits grâce à la nanotechnologie. Au tournant du siècle, un transistor typique mesurait entre 130 et 250 nanomètres. En 2014, Intel a créé un transistor de 14 nanomètres, puis IBM a créé le premier transistor de sept nanomètres en 2015, puis Lawrence Berkeley National Lab a fait la démonstration d’un transistor d’un nanomètre en 2016 ! Des transistors plus petits, plus rapides et de meilleure qualité peuvent signifier que bientôt toute la mémoire de votre ordinateur pourra être stockée sur une seule puce minuscule.

2. Grâce à la mémoire magnétique à accès aléatoire (Magnetic Random Access Memory ou MRAM), les ordinateurs pourront «démarrer» presque instantanément. La MRAM est activée par des jonctions tunnel magnétiques à l’échelle nanométrique et peut enregistrer rapidement et efficacement des données lors d’un arrêt du système ou activer les fonctions de reprise de lecture.

3. On vend maintenant des écrans et des téléviseurs ultra-haute définition qui utilisent des points quantiques pour produire des couleurs plus vives tout en étant plus écoénergétiques.

4. L’électronique flexible, pliable, pliable, enroulable et extensible atteint divers secteurs et est intégrée dans une variété de produits, y compris les appareils portables, les applications médicales, les applications aérospatiales et l’Internet des objets. L’électronique flexible a été développée en utilisant, par exemple, des nanomembranes semi-conductrices pour des applications dans les écrans de smartphones et de liseuses. D’autres nanomatériaux comme le graphène et les nanomatériaux cellulosiques sont utilisés pour divers types d’électronique flexible afin de permettre des capteurs portables et «tatouages», des panneaux photovoltaïques pouvant être cousus sur des vêtements et du papier électronique pouvant être enroulé. Faire de l’électronique plate, flexible, légère, non cassante et hautement efficace ouvre la porte à d’innombrables produits intelligents.

5. Les autres produits informatiques et électroniques comprennent les puces de mémoire Flash pour les téléphones intelligents et les clés USB ; prothèses auditives ultra-réactives; revêtements antimicrobiens/antibactériens sur les claviers et les boîtiers de téléphones portables ; encres conductrices pour électronique imprimée pour RFID/cartes à puce/emballages intelligents ; et des écrans flexibles pour les lecteurs de livres électroniques.

6. Les suspensions de nanoparticules de cuivre ont été développées comme une alternative plus sûre, moins chère et plus fiable à la soudure à base de plomb et à d’autres matériaux dangereux couramment utilisés pour fusionner l’électronique dans le processus d’assemblage.

Applications médicales et de soins de santé

La nanotechnologie élargit déjà les outils médicaux, les connaissances et les thérapies actuellement disponibles pour les cliniciens. La nanomédecine, l’application de la nanotechnologie en médecine, s’appuie sur l’échelle naturelle des phénomènes biologiques pour produire des solutions précises pour la prévention, le diagnostic et le traitement des maladies. Voici quelques exemples d’avancées récentes dans ce domaine:

Structure en bambou de nanotubes de carbone dopés à l’azote pour le traitement du cancer. © Wake Forest et l’Institut National du cancer.

1. Les applications commerciales ont adapté les nanoparticules d’or en tant que sondes pour la détection de séquences ciblées d’acides nucléiques, et les nanoparticules d’or font également l’objet d’études cliniques en tant que traitements potentiels du cancer et d’autres maladies.

2. De meilleurs outils d’imagerie et de diagnostic rendus possibles par la nanotechnologie ouvrent la voie à un diagnostic plus précoce, à des options de traitement plus individualisées et à de meilleurs taux de réussite thérapeutique.

3. La nanotechnologie est étudiée à la fois pour le diagnostic et le traitement de l’athérosclérose, ou l’accumulation de plaque dans les artères. Dans une technique, les chercheurs ont créé une nanoparticule qui imite le «bon» cholestérol du corps, connu sous le nom de HDL (lipoprotéines de haute densité), qui aide à réduire la plaque.

3. La conception et l’ingénierie de matériaux nanopores à l’état solide avancés pourraient permettre le développement de nouvelles technologies de séquençage de gènes qui permettent la détection de molécules uniques à faible coût et à grande vitesse avec une préparation et une instrumentation d’échantillons minimales.

4. Les chercheurs en nanotechnologie travaillent sur un certain nombre de thérapies différentes où une nanoparticule peut encapsuler ou aider à administrer un médicament directement aux cellules cancéreuses et minimiser le risque de dommages aux tissus sains. Cela a le potentiel de changer la façon dont les médecins traitent le cancer et de réduire considérablement les effets toxiques de la chimiothérapie.

5. La recherche sur l’utilisation de la nanotechnologie pour la médecine régénérative couvre plusieurs domaines d’application, notamment l’ingénierie des os et des tissus neuronaux. Par exemple, de nouveaux matériaux peuvent être conçus pour imiter la structure minérale cristalline de l’os humain ou utilisés comme résine de restauration pour les applications dentaires. Les chercheurs cherchent des moyens de cultiver des tissus complexes dans le but de cultiver un jour des organes humains pour la transplantation. Les chercheurs étudient également des moyens d’utiliser des nanorubans de graphène pour aider à réparer les lésions de la moelle épinière; des recherches préliminaires montrent que les neurones se développent bien sur la surface conductrice du graphène.

6. Les chercheurs en nanomédecine étudient les moyens par lesquels la nanotechnologie peut améliorer les vaccins, y compris l’administration de vaccins sans l’utilisation d’aiguilles. Les chercheurs travaillent également à la création d’un échafaudage vaccinal universel pour le vaccin annuel contre la grippe qui couvrirait plus de souches et nécessiterait moins de ressources pour se développer chaque année.

Applications énergétiques

La nanotechnologie trouve des applications dans les sources d’énergie traditionnelles et améliore considérablement les approches énergétiques alternatives pour aider à répondre aux demandes énergétiques croissantes du monde. De nombreux scientifiques cherchent des moyens de développer des sources d’énergie propres, abordables et renouvelables, ainsi que des moyens de réduire la consommation d’énergie et de réduire les charges de toxicité sur l’environnement:

1. La nanotechnologie améliore l’efficacité de la production de carburant à partir de matières premières pétrolières grâce à une meilleure catalyse. Il permet également de réduire la consommation de carburant dans les véhicules et les centrales électriques grâce à une combustion plus efficace et à une friction réduite.

2. La nanotechnologie est également appliquée à l’extraction de pétrole et de gaz grâce, par exemple, à l’utilisation de soupapes de levage de gaz activées par la nanotechnologie dans les opérations offshore ou à l’utilisation de nanoparticules pour détecter les fractures microscopiques des oléoducs en aval.

3. Des chercheurs étudient des «épurateurs» de nanotubes de carbone et des membranes pour séparer le dioxyde de carbone des gaz d’échappement des centrales électriques.

4. Les chercheurs développent des fils contenant des nanotubes de carbone qui auront une résistance beaucoup plus faible que les fils à haute tension actuellement utilisés dans le réseau électrique, réduisant ainsi les pertes de puissance de transmission.

5. La nanotechnologie peut être incorporée dans les panneaux solaires pour convertir la lumière du soleil en électricité plus efficacement, promettant une énergie solaire peu coûteuse à l’avenir. Les cellules solaires nanostructurées pourraient être moins chères à fabriquer et plus faciles à installer, car elles peuvent utiliser des processus de fabrication semblables à ceux de l’impression et peuvent être fabriquées en rouleaux flexibles plutôt qu’en panneaux discrets. Des recherches plus récentes suggèrent que les futurs convertisseurs solaires pourraient même être «peinables».

6. La nanotechnologie est déjà utilisée pour développer de nombreux nouveaux types de batteries qui se chargent plus rapidement, sont plus efficaces, plus légères, ont une densité de puissance plus élevée et conservent la charge électrique plus longtemps.

7. Un époxy contenant des nanotubes de carbone est utilisé pour fabriquer des pales d’éoliennes plus longues, plus solides et plus légères que les autres pales afin d’augmenter la quantité d’électricité que les éoliennes peuvent générer.

8. Dans le domaine de la récupération d’énergie, les chercheurs développent des panneaux électriques solaires à couche mince qui peuvent être installés sur des boîtiers d’ordinateur et des nanofils piézoélectriques flexibles tissés dans des vêtements pour générer de l’énergie utilisable en déplacement, de la lumière, de la friction et/ou de la chaleur corporelle à alimenter les appareils électroniques mobiles. De même, diverses options basées sur les nanosciences sont envisagées pour convertir la chaleur résiduelle des ordinateurs, des automobiles, des maisons, des centrales électriques, etc., en énergie électrique utilisable.

9. Les produits d’efficacité énergétique et d’économie d’énergie augmentent en nombre et en types d’applications. En plus de ceux mentionnés ci-dessus, la nanotechnologie permet des systèmes d’éclairage plus efficaces ; des matériaux de châssis de véhicule plus légers et plus résistants pour le secteur des transports ; consommation d’énergie réduite dans l’électronique de pointe ; et des revêtements intelligents sensibles à la lumière pour le verre.

Assainissement de l’environnement

En plus des façons dont la nanotechnologie peut aider à améliorer l’efficacité énergétique (voir la section ci-dessus), il existe également de nombreuses façons dont elle peut aider à détecter et à nettoyer les contaminants environnementaux:

1. La nanotechnologie pourrait aider à répondre au besoin d’eau potable abordable et propre grâce à une détection et un traitement rapides et peu coûteux des impuretés dans l’eau.

2. Des ingénieurs ont développé une membrane à couche mince avec des nanopores pour un dessalement économe en énergie. Cette membrane au bisulfure de molybdène (MoS2) a filtré deux à cinq fois plus d’eau que les filtres conventionnels actuels.

3. Des nanoparticules sont développées pour nettoyer les polluants industriels de l’eau dans les eaux souterraines grâce à des réactions chimiques qui rendent les polluants inoffensifs. Ce processus coûterait moins cher que les méthodes qui nécessitent de pomper l’eau du sol pour le traitement.

4. Des chercheurs ont mis au point une «serviette en papier» en nanotissu tissée à partir de minuscules fils d’oxyde de potassium et de manganèse pouvant absorber 20 fois son poids en huile pour les applications de nettoyage. Les chercheurs ont également placé des nanoparticules magnétiques hydrofuges dans des déversements de pétrole et utilisé des aimants pour éliminer mécaniquement l’huile de l’eau.

5. De nombreux filtres de cabine d’avion et d’autres types de filtres à air sont des filtres basés sur la nanotechnologie qui permettent une «filtration mécanique», dans laquelle le matériau fibreux crée des pores à l’échelle nanométrique qui piègent les particules plus grosses que la taille des pores. Les filtres peuvent également contenir des couches de charbon qui éliminent les odeurs.

6. Les capteurs et les solutions nanotechnologiques sont désormais capables de détecter et d’identifier les agents chimiques ou biologiques dans l’air et le sol avec une sensibilité bien plus élevée que jamais. Les chercheurs étudient des particules telles que des monocouches auto-assemblées sur des supports mésoporeux (SAMMS™), des dendrimères et des nanotubes de carbone pour déterminer comment appliquer leurs propriétés chimiques et physiques uniques pour divers types de décontamination de sites toxiques. Un autre capteur a été développé par la NASA en tant qu’extension pour smartphone que les pompiers peuvent utiliser pour surveiller la qualité de l’air autour des incendies.

Avantages futurs en matière de transport

La nanotechnologie offre la promesse de développer des matériaux multifonctionnels qui contribueront à la construction et à l’entretien de véhicules, d’avions, d’engins spatiaux et de navires plus légers, plus sûrs, plus intelligents et plus efficaces. De plus, les nanotechnologies offrent divers moyens d’améliorer les infrastructures de transport:

1. Comme discuté ci-dessus, les matériaux nano-machinés dans les produits automobiles comprennent des pièces structurelles en nanocomposites polymères; systèmes de batteries rechargeables haute puissance; matériaux thermoélectriques pour le contrôle de la température; pneus à faible résistance au roulement; capteurs et électronique à haut rendement/faible coût; panneaux solaires intelligents à couche mince; et des additifs pour carburant et des convertisseurs catalytiques améliorés pour un échappement plus propre et une autonomie prolongée. La nano-ingénierie de l’aluminium, de l’acier, de l’asphalte, du béton et d’autres matériaux cimentaires, et de leurs formes recyclées, est très prometteuse en termes d’amélioration des performances, de la résilience et de la longévité des composants des infrastructures routières et de transport tout en réduisant leur coût de cycle de vie. Les nouveaux systèmes peuvent incorporer des capacités innovantes dans les matériaux d’infrastructure traditionnels, tels que des structures auto-réparatrices ou la capacité de générer ou de transmettre de l’énergie.

2. Des capteurs et des dispositifs à l’échelle nanométrique peuvent fournir une surveillance continue et rentable de l’intégrité structurelle et des performances des ponts, des tunnels, des rails, des structures de stationnement et des chaussées au fil du temps. Des capteurs à l’échelle nanométrique, des dispositifs de communication et d’autres innovations rendues possibles par la nanoélectronique peuvent également prendre en charge une infrastructure de transport améliorée qui peut communiquer avec des systèmes embarqués pour aider les conducteurs à maintenir leur position sur la voie, à éviter les collisions, à ajuster les itinéraires de déplacement pour éviter les embouteillages et à améliorer les interfaces des conducteurs pour électronique embarquée.

3. Les avantages «changeants» de l’utilisation de matériaux légers et à haute résistance activés par la nanotechnologie s’appliqueraient à presque tous les véhicules de transport. Par exemple, il a été estimé que la réduction du poids d’un avion à réaction commercial de 20 pour cent pourrait réduire sa consommation de carburant jusqu’à 15 pour cent. Une analyse préliminaire réalisée pour la NASA a indiqué que le développement et l’utilisation de nanomatériaux avancés avec une résistance deux fois plus élevée que les composites conventionnels réduiraient le poids brut d’un lanceur jusqu’à 63 %. Non seulement cela permettrait d’économiser une quantité importante d’énergie nécessaire au lancement d’engins spatiaux en orbite, mais cela permettrait également le développement de lanceurs à un étage pour orbiter, réduisant davantage les coûts de lancement, augmentant la fiabilité de la mission et ouvrant la porte à des concepts de propulsion alternatifs.

Source

Adapté d’un article initialement publié par le National Nanotechnology Initiative.

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