14 applications innovantes de la nanotechnologie : de la médecine aux matériaux

Le terme « nanotechnologie » a été inventé pour la première fois par le professeur Norio Taniguchi en 1974. Il décrivait des processus semi-conducteurs qui présentent un contrôle caractéristique à l'ordre du nanomètre.

Quelle est la taille d'un nanomètre ? Le cheveu humain fait environ 50 micromètres de large. Un nanomètre est le 50 000e de la largeur d'un cheveu.

La nanotechnologie moderne a commencé en 1981 quand les scientifiques ont développé le microscope à effet tunnel pour « voir » des atomes individuels.

Qu'est-ce exactement que la nanotechnologie ?

La nanotechnologie est la science, la technologie et l'ingénierie menées à l'échelle nanométrique, entre 1 et 100 nanomètres. C'est un sujet compliqué avec de nouvelles découvertes faites chaque jour.

La nanotechnologie peut fournir des aperçus sans précédent sur les matériaux et équipements et est susceptible d'impacter divers domaines, incluant la physique des dispositifs, la science des matériaux, la chimie supramoléculaire, la science colloïdale, et l'ingénierie électrique et mécanique.

Le sujet peut être mieux expliqué en fournissant des explications claires et concises des applications de la nanotechnologie. Nous avons listé quelques utilisations moins populaires de la nanotechnologie et leurs avantages, montrant comment elles impactent réellement notre vie quotidienne.

14. Nanotechnologie dans l'industrie alimentaire

Rôle de la nanotechnologie dans différents aspects des secteurs alimentaires | Crédit : Frontiers

Au cours des deux dernières décennies, les applications de la nanotechnologie ont émergé avec le besoin croissant d'utilisations de nanoparticules dans différents domaines de la microbiologie alimentaire et de la science alimentaire, incluant la transformation alimentaire, l'emballage, la sécurité, l'identification de pathogènes d'origine alimentaire, et l'extension de la durée de conservation des produits alimentaires.

Les nanoparticules nano-conçues utilisées dans l'industrie alimentaire, par exemple, minimisent les fuites de dioxyde de carbone dans les boissons gazeuses, réduisent les graisses, et améliorent la valeur nutritionnelle. Elles maintiennent aussi l'évacuation de l'humidité et contrôlent la croissance des bactéries pour garder les aliments frais.

Les techniques d'emballage intelligent combinées avec des capteurs à l'échelle nanométrique permettent la détection d'aliments contaminés et la présence de bactéries et pesticides.

Aujourd'hui, des ingrédients à l'échelle nanométrique sont utilisés pour améliorer la saveur, la texture et la couleur des aliments. Les nanoparticules de dioxyde de titane, dioxyde de silicium et silice amorphe sont utilisées comme additifs alimentaires.

Dans l'industrie alimentaire, les applications commerciales de nanoparticules devraient croître à un taux significatif en raison de leurs propriétés novatrices et uniques. Ainsi, l'exposition humaine aux nanoparticules continuera d'augmenter, et son impact sanitaire associé restera une préoccupation publique majeure.

13. Communication moléculaire

Les nanomachines sont des dispositifs entièrement fonctionnels qui peuvent effectuer de nombreuses tâches telles que l'actionnement, la détection, le stockage de données et le calcul. Pour être plus efficaces et efficients, ces machines devraient être interconnectées sous forme de réseau.

La communication moléculaire est le paradigme dans les réseaux de nano-communication, qui utilise des molécules pour la communication entre nanomachines. Ces systèmes utilisent l'absence ou la présence d'un type particulier de molécule pour encoder numériquement les données.

Cela fonctionne en délivrant des molécules dans un milieu (comme l'eau ou l'air) pour la transmission. Les signaux de communication nécessitent peu d'énergie et peuvent être rendus biocompatibles. De plus, cette technique ne dépend pas d'antennes de taille spécifique.

Puisque la communication moléculaire est inspirée par la communication entre matériaux biologiques, elle offre une large gamme d'applications biomédicales et environnementales.

La nano-communication à l'intérieur du corps humain, par exemple, peut avoir plusieurs applications de santé, comme l'ingénierie tissulaire, le système immunitaire amélioré, l'interface cerveau-machine, et l'administration ciblée de médicaments.

Les scientifiques travaillent actuellement sur des modèles pour la communication de bout en bout entre machines bio-nano.

12. Faire pousser des cellules nerveuses

Crédit image : Sebastian Kaulitzki/Shutterstock

La capacité de régénérer les cellules nerveuses dans le corps pourrait significativement diminuer les effets des traumatismes et maladies. Les scientifiques travaillent sur la nanotechnologie pour améliorer la régénération des cellules nerveuses.

Ils ont montré comment les nanoparticules magnétiques peuvent être utilisées pour générer une tension mécanique pour stimuler l'élongation des axones (ou fibres nerveuses). Ils ont aussi décrit comment les nanofibres alignées peuvent fournir une matrice bioactive où les cellules nerveuses peuvent régénérer.

Plusieurs études ont prouvé que les nanotubes de carbone facilitent la croissance complète des neurones et la formation de nouvelles synapses. Cependant, cette croissance n'est pas indiscriminée et illimitée.

11. Meilleurs panneaux solaires

Alors que l'intérêt mondial pour l'énergie verte continue d'augmenter, les scientifiques ont continué d'étudier des moyens d'améliorer l'efficacité des cellules solaires. Au cours des dernières années, plusieurs avancées en nanotechnologie ont été intégrées dans les panneaux solaires pour améliorer l'efficacité tout en diminuant ses coûts de fabrication et d'installation.

Les nanoparticules de silicium, en particulier, se sont avérées utiles : elles ont une faible densité en vrac, un état de surface actif, et des caractéristiques photoluminescentes uniques. Par conséquent, ces nanoparticules sont aussi utilisées dans les semi-conducteurs intégrés, dispositifs d'affichage luminescent, cellules d'énergie solaire, et batteries lithium-ion.

Les avancées récentes dans les cellules solaires à base de graphène ont entraîné 20 % de réflectance en moins et au moins 40 % de conversion d'énergie en plus par rapport aux cellules solaires traditionnelles.

10. NanoArt

Une nano-sculpture créée par Jonty Hurwitz

Les scientifiques deviennent artistes, grâce au « NanoArt ». C'est une œuvre d'art réalisée à l'échelle moléculaire et atomique. Elle représente des nanostructures naturelles ou synthétiques observées par des microscopes électroniques en laboratoire.

Pour créer un nanoart, les scientifiques analysent d'abord les textures des molécules et atomes, capturent des images microscopiques d'elles, et ajustent l'image résultante pour produire une pièce d'art unique. L'un des objectifs de tels arts est de familiariser les gens avec de minuscules objets utiles et les avancées dans leur synthèse.

En 2015, Jonty Hurwitz a développé une nouvelle méthode pour générer des nano-sculptures en utilisant la photogrammétrie et la lithographie multiphoton. Hurwitz est un artiste créatif maintenant reconnu pour la plus petite forme humaine jamais construite en utilisant la nanotechnologie.

9. Diagnostics et traitements médicaux

Les méthodes de diagnostic basées sur la nanotechnologie peuvent fournir deux avantages majeurs –

• Tests rapides, qui peuvent permettre aux médecins d'effectuer des tests de diagnostic et de commencer le traitement dans la journée.
• Détection de maladies graves à des stades plus précoces, ce qui peut aider les médecins à arrêter la/les maladie(s) plus tôt, avec moins de dommages pour le patient.

Par exemple, les scientifiques développent des nanoparticules appelées NanoFlares pour détecter les cellules cancéreuses dans la circulation sanguine. Ces nanoparticules sont conçues pour se lier à des cibles génétiques dans les cellules cancéreuses et produire un signal fluorescent quand cette cible particulière est trouvée.

Un autre bon exemple est les capteurs nanopore qui peuvent identifier des particules virales individuelles. Les capteurs nanopore combinés avec des techniques d'intelligence artificielle peuvent fournir une détection rapide, à point d'utilisation, des virus.

La technologie peut aussi être utilisée pour combattre les infections : les chercheurs ont développé un prototype de pansement de cathéter qui incorpore des nanoparticules d'hexamétaphosphate de chlorhexidine. Il peut inhiber la croissance des bactéries et diminuer la colonisation des plaies. Dans un avenir proche, ce type de molécules pourrait être utilisé dans les matériaux de soin des plaies pour contrôler les infections.

8. Améliorer la disponibilité du carburant

La nanotechnologie peut adresser la pénurie de combustibles fossiles (essence et diesel) de différentes façons –

• Elle peut augmenter le rendement des moteurs.
• Elle peut produire efficacement et économiquement des carburants à partir de matières premières conventionnelles.

Les nanomatériaux sont des candidats exceptionnels pour de nombreux systèmes de biocarburants en raison de leurs propriétés uniques telles que l'activité catalytique, la durabilité, la stabilité, le haut degré de cristallinité et le stockage efficace, qui pourraient collectivement aider à optimiser le système global.

La nanotechnologie combinée avec la gazéification, pyrolyse, digestion anaérobie, transestérification et hydrogénation s'est avérée économique et efficace, mais reste principalement limitée aux laboratoires et à petite échelle. Elles remplaceront bientôt (probablement dans les trois prochaines décennies) les systèmes traditionnels à l'échelle commerciale.

Plusieurs nanocatalyseurs d'oxydes métalliques, incluant l'oxyde de calcium, le titane, l'oxyde de strontium et l'oxyde de magnésium, ont été créés avec une performance catalytique élevée pour produire du biodiesel. Les nanocatalyseurs à base de carbone ont aussi un grand potentiel pour la production de biodiesel à partir de diverses matières premières.

7. Affichages et dispositifs optoélectroniques

Points quantiques avec émission progressivement du violet au rouge foncé | Wikimedia Commons

Les nanofils de silicium et nanotubes de carbone permettent de développer des affichages à faible consommation d'énergie. Puisque ces nanostructures sont hautement conductrices, elles peuvent être utilisées dans les affichages à émission de champ avec une efficacité sans précédent.

Dans les OLED, les nanomatériaux et techniques de nanofabrication sont utilisés pour fabriquer des électrodes transparentes et emballer les OLED pour les protéger des dommages externes (comme l'eau).

Les scientifiques ont développé avec succès quelques nanomètres de graphène comme conducteur transparent, ouvrant la voie aux OLED flexibles et peu coûteux.

Les transistors à émission de lumière organiques (alternative aux OLED) pourraient ouvrir de nouvelles portes en optoélectronique organique et servir de bancs d'essai pour aborder des problèmes photoniques fondamentaux comme le quenching d'exciton et la perte de photons.

Les Points Quantiques — minuscules particules semi-conductrices de quelques nanomètres — sont à la fois électro-actifs (électroluminescents) et photo-actifs (photoluminescents). Ses propriétés physiques uniques en font un matériau prometteur pour les affichages de nouvelle génération.

Comparés aux OLED et matériaux luminescents organiques, les matériaux à base de points quantiques ont une durée de vie plus longue, des couleurs plus pures, et une consommation d'énergie et coûts de fabrication plus faibles.

6. Calcul et stockage mémoire

Progression du processus de fabrication des semi-conducteurs nanométriques

Avec la nanoélectronique, les processeurs informatiques peuvent être rendus plus puissants que ce qui est possible avec les méthodes traditionnelles de fabrication de semi-conducteurs. Les scientifiques étudient actuellement un certain nombre de techniques — incluant de nouveaux types de nanolithographie — et façons d'utiliser les nanomatériaux, comme les petites molécules et nanofils à la place des composants CMOS conventionnels.

Ils ont pu développer des transistors à effet de champ utilisant des nanofils semi-conducteurs hétérostructurés et des nanotubes de carbone semi-conducteurs.

Les géants de la technologie ont commencé la production de mémoire nanoélectronique au début des années 2010. En 2013, Samsung a produit une mémoire flash NAND multi-niveaux 10 nanomètres. En 2017, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company a produit de la mémoire SRAM en utilisant un processus 7 nanomètres.

5. Nanoscience quantique

La nanoscience quantique fait référence à la branche de la science physique et de la nanotechnologie qui utilise la mécanique quantique pour explorer les effets quantiques cohérents dans les nanostructures conçues.

Ces dernières années, le quantique a pris un nouveau sens en raison de la recherche croissante vers la réalisation d'ordinateurs quantiques. Aujourd'hui, les phénomènes mécaniques quantiques — tels que la cohérence quantique, la superposition et l'intrication — sont conçus à l'échelle nanométrique.

Les applications dans ce domaine incluent l'informatique quantique, simulateur quantique, communication quantique, et détection quantique.

4. Recharge rapide smartphones et véhicules électriques

Récemment, des efforts substantiels ont été concentrés sur le développement de matériaux d'électrode nanostructurés, qui pourraient améliorer les systèmes de stockage d'énergie à l'état de l'art comme les batteries lithium-ion.

Certains chercheurs ont mis au point des dichalcogénures de métaux de transition bidimensionnels qui peuvent être utilisés comme supercondensateurs. Le matériau est petit et permet un transfert d'électrons plus rapide, permettant une charge et décharge plus rapides. Il est fait de fils d'épaisseur nanométrique avec des coquilles de matériau 2D.

Il y a plein d'exemples comme ça. Une entreprise israélienne nommée StoreDot construit des nanomatériaux, qui (combinés avec des composés organiques propriétaires) ont le potentiel de devenir la norme ultime de charge rapide dans diverses industries, incluant smartphones, véhicules électriques et appareils électroménagers.

Leur combinaison unique de densité d'énergie et charge rapide a ouvert de nouvelles portes pour la batterie flash de prochaine génération. Selon l'entreprise, leurs batteries de smartphone et batteries flash de véhicules électriques (construites avec des composés organiques non inflammables) peuvent être chargées en 60 secondes et 5 minutes (offrant une autonomie de 300 miles), respectivement.

3. Nanorevêtement et surfaces nanostructurées

Nanorevêtement hydrophobe

Le revêtement avec épaisseur contrôlée à l'échelle atomique ou nanométrique est devenu courant de nos jours. Les applications récentes incluent les revêtements d'oxydes nanoparticulaires qui détruisent catalytiquement les agents chimiques, et les fenêtres auto-nettoyantes (revêtues de dioxyde de titane activé) conçues pour être antibactériennes et hydrofuges.

Les couches intermédiaires à l'échelle nanométrique fournissent une liaison supérieure et une correspondance graduée des propriétés thermiques et élastiques, améliorant ainsi l'adhésion. Ces types de couches améliorent aussi les revêtements durs résistants à l'usure et aux rayures.

De plus, le contrôle amélioré de la porosité à l'échelle nanométrique a rendu les textiles bien meilleurs : il a permis des tissus imperméables, respirants, résistants aux taches.

2. Exploration spatiale

Crédit : NASA

La nanotechnologie peut rendre le vol spatial plus pratique. Les avancées récentes en nanomatériaux ont aidé les ingénieurs à fabriquer des vaisseaux spatiaux légers et réduire la quantité de carburant nécessaire pour envoyer des fusées dans l'espace.

De nouveaux matériaux combinés avec des nanorobots et nanosenseurs peuvent améliorer davantage la performance de sondes spatiales et combinaisons spatiales. Les scientifiques emploient des matériaux à base de nanotubes de carbone pour diminuer le poids du vaisseau spatial tout en conservant sa résistance structurelle.

Ces nanotubes de carbone peuvent permettre des cellules solaires légères qui utilisent la pression de la lumière solaire (réflexion de la lumière sur les cellules solaires) pour propulser la sonde spatiale. Cela économise plus de carburant pendant les missions interplanétaires. De plus, les nanosenseurs embarqués peuvent surveiller les niveaux de produits chimiques traces dans la station spatiale pour analyser la performance des systèmes de support de vie.

1. Meilleure qualité de l'air et de l'eau

La nanotechnologie est utilisée de deux manières majeures pour diminuer la pollution de l'air.

1. Catalyseurs – actuellement en usage et régulièrement améliorés.
2. Membranes nanostructurées – actuellement en développement.

Les catalyseurs faits de nanoparticules sont utilisés pour convertir efficacement les vapeurs s'échappant des usines industrielles et véhicules en gaz inoffensifs.

Les membranes nanostructurées, d'autre part, peuvent être utilisées pour séparer le CO2 des flux d'échappement des usines industrielles. L'objectif est de développer une technologie qui peut être implémentée dans tous types de centrales électriques sans rétrofit coûteux.

De même, la nanotechnologie est aussi utilisée pour s'attaquer à trois problèmes majeurs de qualité de l'eau.

1. Éliminer la pollution industrielle de l'eau des eaux souterraines.
2. Éliminer le sel ou les métaux de l'eau.
3. Améliorer les filtres standards pour éliminer efficacement les cellules virales.

Dans le premier cas, les nanoparticules transforment les produits chimiques contaminants en une solution inoffensive. C'est un processus peu coûteux qui peut être utilisé pour atteindre les contaminants dispersés dans les étangs souterrains.

Pour le second problème, les techniques de déionisation basées sur des électrodes en nanofibres montrent de la promesse pour diminuer les exigences énergétiques et le coût de transformation de l'eau salée en eau potable. Dans le troisième cas, des filtres de seulement quelques nanomètres de large sont utilisés pour éliminer les cellules virales de l'eau.