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Les « nanos »: controverses autour de la délimitation d’un champ

De façon générale, les programmes de recherche regroupent aujourd’hui sous le terme de « nanotechnologies » à la fois les nanomatériaux, les matériaux nanostructurés, les nanosystèmes, les techniques de fabrication, de manipulation et de caractérisation, mais aussi les techniques d’imagerie et les outils de modélisation utilisant une échelle comprise entre 1 et 100 nanomètres17 (un nanomètre = un milliardième de mètre).
Parler de nanotechnologies, c’est d’abord parler de l’échelle nanométrique, c’est-à-dire le milliardième de mètre, soit l’échelle de l’atome, pour en attendre des propriétés nouvelles » (Laurent, 2010, p.18).
Il s’agit d’un domaine élargi qui ne peut se limiter à un champ disciplinaire. Des physiciens, des chimistes, des biologistes, des ingénieurs travaillent aujourd’hui à l’échelle nanométrique.
En termes d’application, la spécificité des « nanos » est de pouvoir être utilisées dans de nombreux secteurs, de l’électronique à la santé, en passant par les transports, l’énergie ou encore les biens de consommation courants.
Dans ce travail, nous distinguerons nanosciences et nanotechnologies. Nous entendons par nanosciences l’étude des propriétés fondamentales de la matière à l’échelle nanométrique, tandis que les nanotechnologies comprennent les techniques qui permettent de voir et manipuler la matière, et donc de fabriquer des objets à cette échelle particulière. En conséquence, nous parlerons plutôt de manière générique des « nanos », englobant ces deux aspects de l’activité de recherche.
Du point de vue de la recherche en sciences, deux voies ont conduit au développement des « nanos ».
L’approche « bottom-up », ou voie ascendante. Cette voie consiste à fabriquer des objets atome par atome, ou molécule par molécule. Elle est rendue possible par l’utilisation d’instruments capables de manipuler des molécules à l’échelle atomique et d’utiliser les liaisons entre atomes et molécules.
Au début des années 1970, le chimiste Ari Aviram propose pour la première fois une construction moléculaire d’un composant électronique18, qui consiste à « utiliser des molécules comme composants élémentaires de circuits électroniques »19. L’objectif principal de l’électronique moléculaire est de remplacer la technologie du silicium utilisée pour la fabrication des puces électroniques, qui est à la base de l’industrie de la microélectronique, en assurant à la fois des coûts de fabrication et une consommation énergétique affaiblis, ainsi que la réduction du délai entre la fabrication des puces et leur commercialisation20.
Toutefois, il faut attendre 1981 et l’invention du microscope à effet tunnel (STM)21, mis au point par Gerd Binnig et Heinrich Rohrer, deux chercheurs du laboratoire IBM à Zurich, pour qu’il soit possible de voir une molécule unique (Binnig et Rohrer, 1987). Cette découverte leur vaut le prix Nobel de physique seulement quelques années plus tard, en 1986.
En 1985, le microscope à force atomique (AFM)22, par Gerd Binnig, Calvin Quate et Christoph Gerber, permet d’observer à l’air ambiant, ou même en milieu liquide, les molécules individuelles adsorbées sur une surface, avec une résolution nanométrique.
Il publie un article théorique en 1974 qui ouvre la possibilité de l’électronique moléculaire mais il n’existe alors encore aucun moyen concret de réaliser cette idée. Arieh Aviram, Mark A. Ratner, « Molecular rectifier », Chemical Physics Letters, Volume 29, n°2, 15 novembre 1974, pp. 277-283, DOI: 10.1016/0009-2614(74)85031-1
Entretien avec Ari Aviram dans le mensuel La Recherche n°359, p.75, 01/12/2002 http://www.larecherche.fr/savoirs/entretien/ari-aviram-molecules-remplaceront-silicium-01-12-2002-69453 Ibid.
Le STM (Scanning Tunneling Microscope) est un microscope en champ proche qui utilise un phénomène quantique, l’effet tunnel. Il fournit une mesure de la densité d’états électroniques de surfaces conductrices ou semi-conductrices en balayant précisément une pointe métallique terminée par un seul atome. Ainsi, il est possible de remonter à la structure atome par atome de ces surfaces sondées. Dans le cas où des atomes ou des molécules sont déposés sur des surfaces, il est également possible de les observer. Le STM permet donc non seulement de voir, au sens métaphorique du terme, avec une résolution sub-nanométrique, mais il permet aussi de manipuler de façon contrôlée des atomes ou des molécules individuels sur une surface.
L’AFM (Atomic Force Microscope) est un microscope à sonde locale proche du STM, à la différence qu’il mesure des forces d’interaction entre une pointe et une surface. Il permet de remonter à la structure atomique de surface quelque soit leur nature chimique. Ses modes d’utilisation sont devenus divers puisqu’il permet de réaliser la cartographie locale des grandeurs physiques caractéristiques de l’objet sondé (force, capacité ou charge électrique…), mais également de travailler dans des environnements particuliers tels que les milieux sous vide, liquides ou ambiants. Puis, en 1989, Donald Eigler23 parvient à écrire sur une surface le logo d’IBM avec 35 atomes de Xénon en utilisant le microscope à effet tunnel. L’image (Fig. 1)24 fait le tour du monde. Si les recherches en « nanos » vont prendre leur essor à partir de ce moment-là, c’est que, comme le rappelle Xavier Bouju, « les nanosciences […] ont ceci de particulier qu’il est nécessaire d’avoir recours aux images pour les matérialiser » (Bouju, 2011). La publication de cette photo marque ainsi un tournant dans l’histoire des « nanos » puisque cela est concomitant l’investissement de nombreux pays à travers le monde (États-Unis, Japon, France, etc.) dans le développement de ces nouveaux instruments d’imagerie permettant de voir et de travailler sur la matière à l’échelle nanométrique25.
L’invention du STM ouvre la voie de l’électronique moléculaire, qui consiste en la construction des composants électroniques en procédant atome par atome. La technique bottom-up » semble pouvoir apporter une solution aux limites de la miniaturisation dans la microélectronique26. Aussi, par la voie du « bottom-up », il s’agit de développer la recherche sur les propriétés de la matière réduite à quelques atomes et de travailler à la réalisation de composants électroniques à partir d’une seule molécule, ou encore de machines moléculaires capables de fournir des fonctions électroniques ou mécaniques.
L’approche « top-down », ou approche descendante, est basée sur la miniaturisation. Elle consiste à réduire les dimensions d’un bloc de matière jusqu’à atteindre des dimensions nanométriques. Dans ce cas, ce sont des techniques de fabrication dérivées de la lithographie 27 , développées par l’industrie de la microélectronique, qui sont utilisées. Les technologies utilisées pour la réalisation de circuits ou systèmes miniaturisés s’appuient sur des équipements permettant de travailler à des dimensions nanométriques et qui ne peuvent être utilisés qu’en se salles blanches dans lesquelles la température, l’humidité et le degré de poussière sont contrôlés.
Les scientifiques sont divisés autour de la question de la taille. Selon les tenants de l’approche bottom-up, les nanotechnologies se limitent à la dizaine de nanomètres, c’est-à-dire à l’échelle à laquelle les propriétés de la matière sont modifiées. Les changements de propriétés physiques et chimiques apparaissent généralement à des échelles très proches du nanomètre, entre 1 et 15 nanomètres environ. Ces deux aspects, réduction de taille et changement de propriétés, sont les caractéristiques principales de la définition des nanos ».
On appelle « nanotechnologie » cette technologie ascendante de construction atome par atome. Ainsi, par essence, la nanotechnologie est une technologie qui préserve les ressources matérielles. Mais, au fil des années, la définition de la nanotechnologie est devenue plus élastique : la nanotechnologie s’est transformée en “nanotechnologies”, qui ne concernent plus seulement la manipulation de la matière atome par atome, mais qui fait référence à toutes les techniques permettant de fabriquer de « petits-objets » avec une précision de l’ordre du nanomètre, quand bien même elles mettent en jeu des milliards d’atomes, et non plus quelques-uns » (Joachim et Plevert, 2008, p.8).
La différence d’approche entre les voies ascendante et descendante divise donc le champ de la recherche sur les « nanos ». Pour certains tenants de l’approche « bottom-up », celle-ci « La lithographie est basée sur l’utilisation de résines sensibles à la lumière ou aux électrons et déposées sur les matériaux à structurer. Après exposition à la lumière ou aux électrons, la résine est plongée dans une solution chimique qui dissout les parties exposées. […] La lithographie permet par exemple de fabriquer les circuits électroniques intégrés ainsi que des microsystèmes électromagnétiques (MEMS : Micro Electro Mechanical Systems) ». « Les nanotechnologies : un nouveau paradigme », Les cahiers de l’ANR, n°5, juillet constitue le champ des « nanos », et tout ce qui relève de la démarche « top-down » ne peut être intégré sous ce terme. L’argument est le suivant : en réduisant la taille des objets, on peut certes atteindre des dimensions proches de quelques dizaines de nanomètres, mais sans pour autant que les propriétés de la matière soient modifiées.
Cette controverse entre chercheurs sur ce qui entre, ou non, dans le périmètre des nanos » est une dimension importante à prendre en considération lorsqu’on étudie tant les politiques de recherches que les pratiques de recherche labellisés « nanos ».
Il est impossible de dater avec précision le début des « nanos », les chimistes, en particulier, disent faire des « nanos » bien avant qu’elles ne soient nommées ainsi. Dès lors, l’émergence des nanotechnologies relève davantage d’un long processus d’évolution de la recherche scientifique plutôt que d’une découverte apparue à un moment précis.
Gardons à l’esprit que l’avancée majeure concerne la mise au point de nouveaux instruments capables de voir et de manipuler des atomes isolés.

Les « nanos » : un enjeu pour le développement industriel

Dans les années 1990, suite aux avancées scientifiques au niveau des connaissances fondamentales, l’exploitation des nouvelles propriétés de la matière à l’échelle nanométrique va rapidement intéresser l’industrie. En premier lieu l’industrie de la microélectronique, confrontée à l’enjeu essentiel de la réduction de taille des composants. Plus largement, des perspectives s’ouvrent dans des domaines aussi divers que l’énergie, l’aéronautique, les cosmétiques ou encore le textile avec la possibilité d’obtenir des matériaux plus performants », c’est-à-dire intégrant de nouvelles propriétés, ou de nouvelles fonctions, par l’incorporation de nanoparticules28. Un inventaire réalisé en 2010 conjointement par le BEUC (Bureau européen des unions de consommateurs) et l’ANEC (association européenne pour la coordination de la représentation des consommateurs dans la normalisation) répertoriait 475 produits de consommation présentés comme contenant des nanomatériaux présents sur le marché européen29.
« Les nanos font déjà partie de la vie courante, qu’i s’agisse de la nanoélectronique omniprésente dans l’informatique, de l’encapsulation de médicaments dans des nanoparticules ou des nanodispositifs pour l’analyse et le diagnostic médical. Sans oublier les revêtements nanostructurés à base de nitrure de titane pour augmenter la durée de vie des outils de coupe, la nanofiltration des eaux usées, les nanocristaux d’argent dans les pansements pour constituer une barrière anti-microbienne, les nanoparticules inorganiques intégrées comme additifs dans les peintures pour accroître leur résistance à l’abrasion, les nanocatalyseurs, les emballages nanocomposites et tutti quanti »30.
Les potientialités d’aplications des « nanos » sont si nombreuses que nous ne pouvons en dresser un inventaire exhaustif ici. Nous nous limiterons à illustrer notre propos en présentant les potentialités ouvertes par l’utilisation des « nanos » dans le secteur de l’alimentation.
LES « NANOS » DANS L’ALIMENTATION
Selon Veillesnanos, la plupart des applications des nanotechnologies dans le domaine alimentaire concernent aujourd’hui les matériaux au contact des aliments : emballages, surfaces de découpes, instruments de cuisine, parois de réfrigérateurs, filtres à eau par exemple. Elles ont pour but de : renforcer leur solidité, rigidité et résistance à la dégradation (nano nitrure de titane pour prévenir les rayures sur les emballages plastiques par exemple) ; accroître leur transparence (emballages plastiques) ; permettre une meilleure conservation des aliments en protégeant nourriture ou boisson contre les UV, l’humidité, l’oxygène, les microbes, bactéries ou champignons (nano oxyde de zinc ZnO, nano dioxyde de titane TiO2 et nanoargent que l’on retrouve également sur les parois internes de certains réfrigérateurs, sur des planches à découper, des récipients hermétiques pour la conservation des aliments, barquettes alimentaires, films transparents, etc.).
Ces applications s’élargissent désormais également aux applications comme les nanocapteurs biologiques incorporés dans des emballages dits « intelligents » pour vérifier que la chaîne du froid a été respectée, assurer la traçabilité des aliments ou détecter et signaler les détériorations, bactéries ou contaminants dans les denrées alimentaires.
Des nanomatériaux directement intégrés dans les denrées alimentaires ont pour objectif de diminuer la teneur en graisse, en sel, en calories ou en émulsifiants des aliments, sans altération de leur goût ; d’améliorer l’assimilation de nutriments alimentaires ; de modifier des arômes, saveurs, couleurs et textures des aliments ; ou encore d’allonger la durée de conservation31.

Un domaine interdisciplinaire

La controverse scientifique sur la définition des « nanos », qui persiste encore à ce jour entre les chercheurs, a été dépassée par les institutions scientifiques par l’adoption d’une définition officielle des « nanos » qui concernent les objets ou structures dont « l’un au moins des aspects intéressants possède une taille comprise entre 10-9 et 10-7 m » (entre 1 et 100 nm, soit 0,1 micromètre)32.
Cette définition recouvre les deux approches, bottom-up et top-down.
La construction de cette vision élargie repose sur le rapprochement dans les années 1980-1990 d’intérêts de différentes disciplines. En travaillant sur des échelles similaires, différentes disciplines se retrouvent sous un même terme : les physiciens mesurent des propriétés sur une seule molécule, les chimistes font des édifices moléculaires de plus en plus complexes, les évolutions de la lithographie électronique permettent aux micro-électroniciens de réaliser des motifs de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres.
L’interdisciplinarité est donc une des caractéristiques des nanosciences et nanotechnologies, et aussi bien des physiciens, que des ingénieurs ou des chimistes, voire des biologistes, revendiquent aujourd’hui de travailler dans le champ des nanosciences ou nanotechnologies. En outre, certains considèrent que la réduction de taille a imposé le rapprochement des physiciens et des chimistes, à tel point qu’il est impossible d’établir laquelle de ces deux communautés s’est intéressée la première aux dimensions nanométriques de la matière. À titre d’exemple, nous avons vu que l’électronique moléculaire est née de l’intérêt d’Ari Aviram, un chimiste, pour la conductivité électrique de certaines molécules, qui est un principe physique.
Si la paternité des « nanos » reste objet de controverse entre les deux communautés, les équipes ou les laboratoires spécialisés sur ces thématiques regroupent souvent des physiciens et des chimistes33.
D’un autre côté, pour une partie des chercheurs, la mise en avant dans les années 2000 des « nanos » n’a rien changé à leurs pratiques et à leurs objets de recherche (ils parlaient avant d’ « objets de basses dimensions », de « matière divisée », de « couches minces », etc.). Dans le même temps, la place prise par cette thématique dans les appels à projets a amené davantage de chercheurs à investir, de façon plus ou moins opportuniste, ce terrain de recherche en « relabellisant » leurs projets de recherche « nano » (Rip, 1995, p.117).

Des micro-nanotechnologies aux nanobiotechnologies

La voie du bottom-up est un champ de recherche fondamentale et reste très amont des applications industrielles.
En revanche, une grande partie des recherches est fortement mise en avant pour l’intérêt de ses applications industrielles. Ces recherches relèvent le plus souvent du domaine qu’il convient d’appeler micro-nanotechnologies.
Ce domaine est celui des physiciens et ingénieurs qui travaillent dans les salles blanches de grands laboratoires de recherche académique et industrielle. Notamment, ils développent et utilisent des outils de microfabrication issus de l’industrie de la microélectronique. C’est la précision grandissante de ces techniques de microfabrication qui permet aujourd’hui de fabriquer des objets structurés à l’échelle nanométrique, dans une démarche top-down.
Cette approche a ouvert la voie à de nouvelles opportunités pour les Sciences de l’ingénieur, qui se sont notamment rapprochées des problématiques des Sciences de la vie.
En effet, disposer d’outils permettant de travailler à des échelles de quelques centaines de nanomètres ouvre de nouvelles perspectives, en particulier celle d’interagir avec des molécules et des cellules biologiques. Les physiciens et chercheurs en Sciences de l’ingénieur mettent aujourd’hui leurs instruments de micro-nanofabrication, ainsi que les dispositifs technologiques qu’ils fabriquent en salle blanche (capteurs par exemple) à disposition des biologistes et des Sciences du vivant. Ce rapprochement a donné naissance aux nanobiotechnologies.
Le mariage des biotechnologies et des nanotechnologies est une activité en plein essor dans le monde et constitue probablement un des secteurs applicatifs les plus prometteurs pour les nanotechnologies » (Vieu et al., 2004).
Là encore, il s’agit d’un domaine dont la dénomination est controversée dans le milieu scientifique. Derrière le rejet de ce terme, l’argument de l’échelle de travail est prégnant. Parce que ces travaux se situent à des échelles de 50-100 nanomètres, voire au-delà, certains considèrent qu’ils ne relèvent pas strictement de l’échelle nanométrique (10-15 nanomètres), puisque les propriétés de la matière ne sont pas affectées.
Toutefois, l’application des « nanos » aux des Sciences du vivant ouvre de nouvelles perspectives de recherche.
D’un côté, des chimistes fabriquent des nanoparticules dans l’objectif d’améliorer les techniques de diagnostic ou de thérapie, et, pour cela, ils ont besoin d’intégrer les compétences de biologistes. Par exemple on peut utiliser des nanoparticules pour faire du marquage de cellules cancéreuses pour l’IRM, ou bien pour faire de la vectorisation34 de médicaments. Les nanoparticules mesurent souvent moins de 100 nm.
D’un autre côté, il s’agit de physiciens ou de chercheurs spécialistes des technologies, issus du champ de la micro-nanoélectronique – nous parlerons ici pour simplifier de Sciences de l’ingénieur (SI) – préoccupés par les applications des dispositifs technologiques qu’ils mettent au point. Ils se situent souvent dans une perspective « appliquée », puisqu’ils recherchent des fonctionnalités. C’est au début des années 2000 que les SI commencent à envisager de mettre à la disposition des Sciences du vivant leurs techniques d’observation et de manipulation issues de la micro et nanoélectronique. La mise à disposition d’une telle expertise technologique a pour objectif d’augmenter la sensibilité de la détection des mécanismes cellulaires.
En effet, les biologistes travaillent sur des systèmes cellulaires, mais les outils et instruments des SI permettent de venir explorer une cellule unique, d’étudier ses propriétés et de la fonctionnaliser. Une avancée qui leur permet d’améliorer la sensibilité de la détection dans l’objectif final de mieux traiter certaines pathologies (le cancer par exemple).
Ce rapprochement des Sciences de l’ingénieur et des Sciences du vivant sous le qualificatif de nanobiotechnologies est jugé opportuniste par certains chercheurs du domaine des « nanos ».
Si les instruments issus de la micro-nanoélectronique permettent de travailler à l’échelle de la molécule unique, les dispositifs qu’ils fabriquent – tels les biopuces, ou les différents types de capteurs biochimiques – ne sont que des dispositifs micrométriques. Pour une partie des chimistes et des physiciens, le terme de « nanotechnologies » est alors usurpé.
Les SI fabriquent en salles blanches des micro- ou des nanosystèmes capables de capter des molécules et d’émettre un signal optique, mécanique et/ou électrique qui peut être mesuré afin de signaler la présence des molécules, protéines, etc. Leur travail va alors se concentrer sur la recherche des moyens d’attraper les molécules souhaitées, de transformer la présence d’une molécule en un signal mesurable, etc. Leurs instruments sont mis à la disposition de questions de la biologie afin de mieux connaître le fonctionnement des cellules, des protéines, de l’ADN, etc. L’apport fondamental de ces instruments est qu’il est désormais possible d’étudier une cellule unique, alors qu’auparavant, ce genre d’études n’était possible que sur des gros volumes. Il s’agit ici d’utiliser les instruments des SI pour faire avancer les connaissances en Sciences du vivant, et on peut dans ce cas parler de « nanobiosciences ».

Table des matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE
PARTIE 1. APPRÉHENDER LES TENSIONS ENTRE POLITIQUE SCIENTIFIQUE ET ACTIVITE DE RECHERCHE
Chapitre 1. Éléments de contexte: la construction d’un champ « nanos »
Chapitre 2. Pour une approche communicationnelle de l’activité scientifique
Chapitre 3. Interdisciplinarité et collaborations industrielles : des tendances fortes de la politique scientifique
Chapitre 4. La spécificité du thème des « nanos »
PARTIE 2. DÉVELOPPER LES NANOBIOTECHNOLOGIES : UN ENJEU POLITIQUE PORTÉ PAR LES SCIENCES DE L’INGÉNIEUR. L’EXEMPLE DE L’ITAV À TOULOUSE.
Chapitre 5. La politique locale des « nanos »: du triangle Bio-Nano-Info à Nano-Innov
Chapitre 6 L’Itav : tensions autour d’une perspective de décloisonnement institutionnel et disciplinaire
PARTIE 3. DES BARRIÈRES EXTERNES ET INTERNES À LA RECOMPOSITION DE LA RECHERCHE
Chapitre 7 « Nanobio » : une reconfiguration de la recherche qui passe par les Sciences de l’ingénieur
Chapitre 8 Les barrières externes aux exigences de la politique scientifique
Chapitre 9 Évaluer la recherche
CONCLUSION GÉNÉRALE
BIBLIOGRAPHIE
SITOGRAPHIE
TABLE DES MATIÈRES
ANNEXES

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