2.1 Fuller�nes
Le carbone est le sixi�me �l�ment du tableau p�riodique. Le diamant et le graphite sont tous deux form�s d�atomes de carbone. Cependant, ils n�ont pas les m�mes propri�t�s et l� est la distinction. Ce qui les diff�rencie est la fa�on dont les atomes sont dispos�s, leur structure cristalline autrement dit. Les atomes de carbone s�unissent facilement par la liaison d��lectrons. En 1985, une troisi�me phase cristalline a �t� d�couverte : le fuller�ne. C�est une mol�cule form�e d�atomes de carbone qui ont �t� assembl�s de sorte que la mol�cule ressemble � un ballon de soccer.
Le fuller�ne le plus connu est le C60. Il est donc form� de 60 atomes de carbone. Ces atomes forment des pentagones (12) et des hexagones (20), comme avec un ballon de soccer. Une caract�ristique int�ressante de la mol�cule C60 est que ses 12 pentagones n�ont jamais un c�t� commun entre eux. Cependant, il y a d�autres sortes de fuller�nes. Par exemple, il y a le C70, le C76, le C78, le C82, le C84, etc., tous constitu�s d'un nombre pair d'atomes de carbone. Le plus petit qui a �t� d�couvert, le C20, a 12 pentagones et aucun hexagone.
Plus un fuller�ne compte d�atomes de carbone, plus sa forme devient sph�rique. Lorsque le fuller�ne se rapproche d�une sph�re parfaite, il devient m�caniquement instable. C�est ici qu�est introduite la notion de nanotubes.
2.2 Nanotubes de carbone
Les tubes de carbone sont constitu�s d�une partie cylindrique et de deux demi-fuller�nes. La partie cylindrique est obtenue en enroulant un plan de graphite. Les demi-fuller�nes ont chacun 6 pentagones et servent � fermer le tube. Concernant leurs fabrications, c�est en br�lant du carbone � temp�rature tr�s �lev�e que d�bute le processus. Ensuite, on baisse brutalement la temp�rature et la pression. Des feuilles sont alors roul�es pour faire de minuscules tubes. Voil� en quoi consiste la fabrication d�un nanotube de carbone.
Les nanotubes sont compos�s d�atomes qui sont arrang�s r�guli�rement en pentagones, en hexagones et/ou en heptagones. Le mat�riau de loin le plus utilis� pour fabriquer ces tubes est le carbone, mais on peut �galement les obtenir � l�aide de nitrure de bore. En effet, on a r�ussi en 1994 � en produire � partir du nitrure de bore mais leurs propri�t�s demeurent encore impr�cises. Ils seraient par contre de bons isolants �lectriques.
C�est en 1991 que les nanotubes de carbone ont �t� d�couverts par une compagnie japonaise � l�aide d�un microscope �lectronique. Depuis cette ann�e, ces tubes font l�objet d�intenses recherches � travers le monde entier notamment gr�ce � leurs propri�t�s. Leur r�sistance est 100 fois sup�rieure � celle de l�acier pour le sixi�me de leur poids! Cela signifie que le ratio r�sistance-poids est extr�mement �lev�. Les nanotubes sont chimiquement tr�s stables gr�ce au fait que chaque atome est li� � 3 autres atomes de carbone (dans la majorit� des tubes). Ils sont aussi r�sistants autant � la pression qu�� l��tirement et � la chaleur. Certaines �tudes vont m�me � dire qu�ils poss�dent une duret� sup�rieure � celle du diamant. Leurs propri�t�s �lectriques �tonnantes r�volutionneront la micro�lectronique. Leurs propri�t�s chimiques et de luminescence seront b�n�fiques � une panoplie de domaines.
Richard Smalley, le d�couvreur des fuller�nes, pr�voit qu�un jour on pourra se servir de nanotubes pour la construction de ponts, de gratte-ciel antisismiques, de v�hicules spatiaux, d�avions et de voitures. Toutes ces constructions seraient � la fois l�g�res et r�sistantes, ce qui est tr�s avantageux. Cependant, il faut encore surmonter un obstacle pour que cela puisse arriver. Pour pouvoir former un c�ble solide, les nanotubes doivent tisser des liens tr�s forts entre eux. Les nanotubes n�ont cependant pas tendance � le faire puisque pratiquement tous les �lectrons sont d�j� li�s � des atomes de carbone. D�autres recherches sont n�cessaires dans ce domaine d�application.
Les nanotubes sont tr�s difficiles � manipuler �tant donn� leur toute petite taille. Des chercheurs ont d�j� r�ussi � fabriquer des nanocircuits �lectroniques mais avec difficult�. Un autre obstacle pour le d�veloppement des tubes est le co�t encore tr�s haut. Il est 150 fois plus �lev� que le prix de l�or, en fait. Mais au fur et � mesure que l�engouement se fera sentir � l��chelle plan�taire et que l�int�r�t se sera g�n�ralis�, les co�ts diminueront.
En �lectronique, les nanotubes pourraient occasionner bien des changements. Leurs configurations leurs permettront d��tre soit des conducteurs, soit des semi-conducteurs. Nul autre mat�riau ne poss�de cette propri�t� utile. Des chercheurs ont remarqu� que ces tubes de carbone utilisent moins d��lectricit� que les transistors � base de silicium qui sont actuellement utilis�s. Les nanotubes de carbone pourraient, un jour, faire fonctionner les ordinateurs � une vitesse 1 000 fois sup�rieure � celle observ�e aujourd�hui. Cela entra�nerait d��normes bouleversements dans le monde.
2.3 Loi de Moore
La puissance actuelle des ordinateurs est ph�nom�nale si on la compare � celle des tous premiers ordinateurs. La puissance d�un ordinateur est essentiellement d�termin�e par sa capacit� d�installer des transistors sur une surface donn�e. Plus il y en a, plus l�ordinateur est performant. L�un des fondateurs d�Intel, Gordon Moore, a observ�, vers les ann�es 1960, que le nombre de transistors dans les circuits int�gr�s doublait environ � chaque ann�e. Il pr�dit que cette tendance se maintiendrait jusqu�au milieu des ann�es 1970. Pourtant, encore aujourd�hui, ce ph�nom�ne est observ�. Des limites existent cependant. La miniaturisation de circuits devient de plus en plus difficile. C�est peut-�tre ici qu�interviendront la nanotechnologie et les nanotubes. Les m�thodes de conception des ordinateurs seront peut-�tre chang�es gr�ce � cette technologie �mergente. Ceux-ci auraient une puissance de traitement et de stockage de l�information nettement plus grande que celle des ordinateurs actuels.
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Avant d��num�rer les barri�res pouvant freiner l�expansion des nanotechnologies, voici quelques statistiques fort prometteuses quant � leur avenir.
� D�apr�s la National Science Foundation, ce secteur g�n�rera des retomb�s �conomiques de 1000 milliards de dollars am�ricains par an d�ici 2015.
� Le financement des activit�s de recherche et d�veloppement � l��chelle mondiale a franchi le cap des 13 milliards de dollars en 2005.
� Le sous-secteur des nano�lectriques procurera � cette industrie plus de 75 milliards d�ici 10 ans tandis que celui des nanomat�riaux atteindra les 340 milliards de dollars durant la m�me p�riode.
2.4 Obstacles des nanotechnologies
Premi�rement, vu la panoplie de secteurs associ�s aux nanotechnologies, il est difficile pour une entreprise de se tailler une place dans ce march�. La multiplicit� des secteurs d�application force les entreprises � concentrer leurs efforts et investissements sur une cible particuli�re.
Deuxi�mement, il faut voir en les nanotechnologies un placement � long terme. On plante, on s�me et on arrose maintenant pour ne cueillir les fruits de notre r�colte que dans 15-20 ans, voir 25. C�est avec cette optique que l�on peut esp�rer faire des gains substantiels et non pas avec celle d�engranger des b�n�fices � court terme.
Ensuite, un d�lai de 10 � 15 ans pour la livraison de produits commercialisables a pour but d�apaiser toute vell�it� d�une contribution autre que symbolique de la part du secteur priv�, � l�exception des secteurs de l��lectronique et des t�l�communications, les futurs premiers clients potentiels.
Puis, la quantit� insuffisante de nanocomposants produits rend l�acc�s � l�approvisionnement difficile pour r�pondre � la demande croissante. Nous en sommes encore � l��tape de l�exp�rimentation et le passage de la recherche � la production de masse exige des connaissances et des comp�tences encore non acquises.
Enfin, du � la faible concurrence dans le march� des nanotechnologies, les investisseurs sont confront�s � des co�ts �lev�s de fabrication. En effet, les nanotechnologies sont encore � leurs balbutiements et requiert des fonds importants afin de d�velopper pleinement leur potentiel et d�en tirer un maximum de b�n�fices.
Ces barri�res semblent temporaires et ne rel�vent que du temps. L�ardeur des entreprises et des gouvernements envers les nanotechnologies est loin de s�estomper.
2.5 Le quatuor mondial
Avant-go�t
D�apr�s une enqu�te effectu�e en 1997 par une �quipe de chercheurs am�ricains de la NSF, les d�penses gouvernementales des pays d�Europe de l�Ouest et du Japon atteignaient respectivement 128 et 120 millions de dollars US. Ce soutien financier absolu d�passait l�g�rement celui apport� par les �tats-Unis en nanotechnologies. Cependant, suite � l�augmentation marqu�e des fonds octroy�s par le gouvernement am�ricain en 2001, la situation est all�e aux profits du pays de l�oncle Sam. Les Etats-Unis, � eux seuls, m�nent d�sormais le bal. Le Japon, son plus proche poursuivant, est cependant en train d��tablir une strat�gie pour combler cet �cart. Quant � l�Europe, les fonds consacr�s dans le 6e Programme cadre connaissent une augmentation mod�r�e de l�ordre de 13 %, soit d�environ 36 millions de dollars US.
Cela nous emm�ne � parler des quatre acteurs principaux des nanotechnologies. Voici un tableau indiquant la provenance g�ographique des articles publi�s entre 1988 et 1996 portant sur les nanotechnologies. En analysant les r�sultats, on se rend compte que les Etats-Unis arrive en t�te avec pr�s de 34 % des publications, suivis par le Japon (10,6 %), l�Allemagne (8,9 %) et la France (8,2 %). Le Canada, quant � lui, occupe le m�me rang que l�Espagne et l�Italie avec seulement 2,5 % du nombre total d�articles. Ce bref survol permet � tout point de vue de discerner les quatre leaders mondiaux des nanotechnologies et comme par hasard, cet ordre d�arriv�e correspond au m�me quant � leurs d�penses gouvernementales. On peut donc en conclure qu�il existe une corr�lation entre le pourcentage d�articles publi�s par pays et la somme des d�penses gouvernementales destin�es aux nanotechnologies. Apr�s tout, plus on parle d�un �v�nement ou d�une d�couverte, plus celui-ci semble nous int�resser et plus on attire les regards de la communaut� internationale. Voil� justement le ph�nom�ne qui s�est concr�tis� avec les nanotechnologies.
25.1 Les Etats-Unis, premiers de classe
Les Etats-Unis � titre de premi�re �conomie mondiale est le pays qui injecte le plus de fonds dans les nanotechnologies afin de faire avancer les recherches. Des sommes substantielles sont d�ploy�es dans toutes les branches des nanotechnologies, augmentant � un rythme fulgurant. Les centres de recherches ne cessent de s�implanter dans les grands centres urbains am�ricains. Ces infrastructures co�teuses mais � combien prometteuses pour l�avenir permettent � l�instrumentation de se perfectionner continuellement. Tout l�engouement apport� � cette industrie naissante est grandement applicable aux financements gouvernementaux et aux organismes subventionnaires tels la National Science Foundation (NSF) et le National Institute of Health (NIH). Ces bailleurs de fonds s�ajoutent au minist�re de la D�fense et � celui de l��nergie. L�importance �conomique de ce secteur en plein essor aux �tats-Unis est aujourd�hui reconnue � tous les paliers gouvernementaux : municipal, �tatique et f�d�ral. En effet, le gouvernement f�d�ral am�ricain a investi en 1997 116 M $ US en recherches sur les nanotechnologies. Cinq ans plus tard, c�est pas loin de 492 M $ US qui �taient inclus dans le budget de l�administration Bush. Ces augmentations subs�quentes refl�tent l�importance que le gouvernement reconna�t aux retomb�es �ventuelles du secteur de la sant�, de la d�fense et de l��lectronique entre autres. De cette somme, plus de 70% est accapar� par les universit�s am�ricaines, ce qui en fait les principaux r�cipiendaires. Ce sont surtout les grandes entreprises du secteur de l��lectronique, tels HP, Texas Instruments, IBM, Xerox, Motorola et Lucent qui consacrent les plus importantes sommes aux centres universitaires sp�cialis�s en nanotechnologie.
En cr�ant les nouveaux centres de recherche � proximit� des universit�s, les Etats-Unis encouragent volontairement un maximum d�interactions entre scientifiques et �tudiants. Les chercheurs industriels sont m�me invit�s � y faire des stages. Ceux-ci ont la chance de c�toyer des physiciens, des chimistes, des biologistes, des math�maticiens et des informaticiens favorisant du m�me coup une convergence entre les diff�rentes sciences. Cette initiative ne peut qu�avantager la rel�ve scientifique et rejoint le fait que les Etats-Unis d�sirent conserver leur place de leader mondial en nanotechnologie. Bref, ce secteur de l�industrie est devenu hautement prioritaire pour le gouvernement am�ricain qui en 2005, a d�bloqu� pas loin de 982 millions de dollars US pour les nanotechnologies.
25.2 Le Japon, bon deuxi�me
Quant au Japon, il talonne les �tats-Unis et souhaite les d�passer au cours des ann�es � venir. Au cours des vingt derni�res ann�es, le Japon a consacr� un pourcentage �lev� de son PIB � la recherche et au d�veloppement. Jusqu�au milieu des ann�es 1990, le pourcentage du PIB allou� � la recherche dans les universit�s japonaises �tant inf�rieur � celui observ� dans les pays industrialis�s. La Loi sur la science et la technologie a chang� la donne puisqu�elle obligeait le gouvernement japonais � instaurer deux plans successifs d�investissement en science et technologie. Par le premier plan, qui couvrait la p�riode 1996 � 2001, le gouvernement s�engageait � investir 225 MM $ suppl�mentaires en recherche.
Non seulement le gouvernement mais aussi les entreprises japonaises, Hitachi par exemple, veulent intensifier leurs efforts en nanotechnologies. Le Japon, tout comme les Etats-Unis, repr�sente une des terres d�accueil des plus int�ressantes pour des investisseurs oeuvrant dans l��lectronique et les semi-conducteurs. Au cours des derni�res ann�es, le Japon s�est dot� de plusieurs instruments afin d�accro�tre la qualit� des recherches, qui selon plusieurs, semblent � l�avant-garde.
Au printemps de 2001, le gouvernement japonais annon�ait un soutien financier de 350 millions de dollars US destin�s aux nanotechnologies. Cet initiative s�explique par le fait que le Japon compte bien combler son �cart avec les �tats-Unis, de sorte que ses d�penses en nanotechnologies au prorata de son PIB y soient sup�rieures au cours des ann�es � venir.
25.3 Europe de l�Ouest
Les domaines de recherche �tant tr�s diversifi�s tant en Europe qu�au Japon, la qualit� de la recherche y est souvent �quivalente � celle observ�e aux �tats-Unis. Tous les centres de recherche disposent d�un �quipement fiable � la fine pointe de la technologie. De plus, ils sont bien pourvus en ressources humaines : la main d��uvre comp�tente est de plus en plus attir�e vers ce coin du globe.
Tel que mentionn�, la nanotechnologie demeure � un stade embryonnaire et de nos jours, aucun centre de recherche n�est vou� exclusivement aux nanotechnologies, tant bien en Europe qu�au Japon. La majorit� des recherches sont men�es dans des centres sp�cialis�s, soit dans les mat�riaux, soit en �lectronique, en raison de la n�cessaire compl�mentarit� entre les expertises requises et entre les besoins d��quipement. M�me aux �tats-Unis, la cr�ation de centres vou�s exclusivement aux nanotechnologies demeure rare.
Les chercheurs universitaires et des laboratoires publics europ�ens sont de plus en plus r�seaut�s. Pour un projet de recherche commun, ils peuvent �tre entre 10 et 15 � se concerter. Cette situation diff�re avec ce qui a cours aux Etats-Unis, o� les centres universitaires ont plut�t tendance � fonctionner ind�pendamment, tout en cr�ant une grande synergie entre les d�partements des sciences. Une chose reste s�re : la simulation par ordinateur ainsi que la visualisation semblent des outils indispensables au d�veloppement de cette technologie �mergente.
C�est surtout dans le secteur des mat�riaux que l�Europe se distingue � l��chelle mondiale, car les centres de recherche s�y inscrivent dans une longue tradition. Par contraste, les �tats-Unis se distinguent dans le secteur des nanobiotechnologies.
� pr�sent, nous avons observ� les efforts exponentiels auxquels ont surtout consenti les Etats-Unis, le Japon, et l�Europe de l�Ouest afin d�acc�l�rer la recherche en nanotechnologies. Mais o� se situent le Canada et le Qu�bec dans ce qui semble devenir une course contre la montre? Un parall�le sera dress� afin de juger du retard consid�rable de notre pays face aux puissances mondiales.
25.4 Canada
En premier lieu, selon les auteurs de l�avis Les nanotechnologies - La ma�trise de l�infiniment petit, il est possible de d�duire l�investissement auquel le Canada devrait consentir pour rejoindre, en termes relatifs, celui des autres pays. Si leur hypoth�se est exacte, le financement gouvernemental du Canada devait atteindre, en 2001, 40 M $ US pour �quivaloir � celui des �tats-Unis, 29 M $ pour correspondre � celui du Japon en 1997 et 20 M $ pour �galer celui de l�Europe � pareille date. Le Canada fait donc pi�tre figure avec un montant estim� de 13 millions de dollars d�investissement et les cibles qu�il s�est fix� semblent hors d�atteinte.
Il n�a pu suivre le rythme de croisi�re impos� par ses partenaires. Pourtant, dans d�autres secteurs scientifiques, il compte des �quipes de chercheurs de calibre international et � la fine pointe des d�couvertes, notamment en t�l�communications, en biopharmaceutique et dans le secteur des nouveaux mat�riaux.
Ce retard du pays peut s�expliquer par la raret� d�instituts de recherche. En effet, ce n�est que tardivement (2001) que le gouvernement du Canada a annonc� l�ouverture d�un nouvel institut CNRC en sol albertain, le troisi�me au pays, et au Qu�bec, de Nano-Qu�bec. La cr�ation des deux instituts constitue un pas dans la bonne direction mais ne fera pas du Canada un acteur principal des nanotechnologies. Si le gouvernement n�injecte pas plus de fonds, ces deux centres de recherche ne pourront garantir � long terme l�existence d�un p�le de recherche concurrentiel et avant-gardiste de nouvelles tendances. Ils ne pourront engendrer les retomb�es �conomiques escompt�es au sein de l��conomie canadienne et qu�b�coise si on ne donne pas suite.
En ce qui touche le Qu�bec, nos universit�s se doivent d�acc�l�rer leurs recherches au cours des ann�es � venir afin de rattraper le retard. La d�cision de Valorisation-Recherche Qu�bec d�investir 10 millions de dollars dans un programme de recherches sur les nanotechnologies, en partenariat avec les 5 universit�s qu�b�coises actives dans le secteur, aura eu pour but de jeter les bases.
Bien qu�applaudie par la communaut� scientifique, cette d�cision ne suffira pas � garantir la pr�sence du Qu�bec sur l��chiquier scientifique international. Afin d�avoir une place privil�gi�e sur la sc�ne internationale, le Qu�bec devra entretenir de bons liens avec les diff�rents paliers gouvernementaux afin d��uvrer dans un secteur o� le potentiel de d�veloppement s�annonce un des plus prometteurs.
2.6 Constats g�n�raux
Bref, que ce soit pour les Etats-Unis, le Japon, le Canada ou les pays europ�ens, tous ont pour mission d�assurer leur participation � l�essor du corpus scientifique et de former un noyau de chercheurs exp�riment�s. De plus, cr�er une synergie entre les chercheurs et leurs centres de recherche affili�s et se doter d�infrastructures certes on�reuses mais indispensables � la recherche figurent parmi leurs objectifs. Dans oublier qu�ils adoptent des mesures incitatives � la venue des meilleurs chercheurs de la plan�te afin que le potentiel nanotechnologique soit d�velopp� chez eux, dans leur territoire. Et c�est dans ce contexte que les �tudiants seront attir�s afin de former une rel�ve de calibre international. Malheureusement, le Qu�bec et le Canada n�ont tout simplement pas fait des nanotechnologies un domaine de recherche prioritaire.
La nanotechnologie promet un avenir prometteur qui occasionnera des bouleversements dans un �ventail de secteurs. Leurs r�percussions se feront sentir pour les g�n�rations futures et semblent constituer la voie de l�avenir, la voie de la r�ussite. Tout comme l�homme, la science est en constante mutation et ne cesse d��voluer gr�ce aux progr�s technologiques mais encore une fois, est-ce que l�homme poussera ses limites trop loin. Seule l�histoire pourra nous apporter ses r�ponses car en ce moment, elle en est inconsciente.