Ce sont des mots bien à la mode, beaucoup de personnes croient à un avenir « nano » (qui en grec signifie « très petit »). On entend dire que c’est un secteur clé et stratégique, qu’après l’ère de l’information avec Internet, ça sera au tour du « nano » de faire son boom et d’envahir notre quotidien et notre économie mais qu’est-ce que c’est exactement ? 

   Ces termes regroupent les sciences et les technologies intervenant à des échelles extrêmement petites, en général entre 1nm et 100nm (1 nm est égal à un nanomètre, soit un milliardième de mètre, soit 30 000 fois plus fin qu’un cheveu ).

Pour avoir une idée des différentes échelles, vous pouvez aller voir ce lien du CERN :  http://microcosm.web.cern.ch/Microcosm/P10/french/welcome.html

A titre de comparaison, tous les composants électroniques (majoritairement les transistors dans les ordinateurs) peuvent être classés dans le monde « micro », on parle d’ailleurs de « microinformatique » car la taille des composants descend jusqu’à 10µm (10 micromètres = 10 000 nanomètres ). Beaucoup de chercheurs et d’entreprises veulent laisser tomber le monde « micro » pour rentrer dans ce nouveau monde « nano ».

Dans le monde micro, on venait découper et assembler différents composants, on partait de quelque chose d’assez gros pour arriver à quelque chose d’assez petit, on parle alors d’approche descendante (top-down). Pour le nano, c’est l’inverse, c’est une approche montante (bottom-up) : on vient assembler des petites briques élémentaires (qui sont des atomes soit autour de 0.1nm) pour créer quelque chose de plus gros (enfin c’est relatif, ce quelque chose fait moins de 100nm). Pour manipuler ces atomes, on utilise des microscopes à effet tunnel (STM) pour les matériaux conducteurs et des microscopes à force atomique (AFM) pour les matériaux isolants. Ces deux microscopes permettent de reconstituer des images avec une finesse de l’ordre de l’atome et permettent également d’attraper un atome et de le déposer sur une surface. Pour savoir comment fonctionne ces deux microscopes vous pouvez aller voir ici.

 Grâce à ces instruments, on peut alors créer librement un assemblage d’atomes en les manipulant un par un. Les images ci-dessus représentent un bonhomme constitué d’atomes de carbone et un corral quantique (des atomes disposés en cercle) qui ont été créés par le laboratoire d’IBM en Californie à l’aide d’un STM. Evidemment, faire un bonhomme de quelque nanomètres c’est rigolo mais ça ne sert pas à grand chose… Quelles sont les applications pour que ce secteur soit tant convoité par tous les grands groupes technologiques du monde ?

Pour le moment, on voit trois grands domaines capables d’exploiter les nanotechnologies (les mots ne sont pas encore dans le dictionnaire mais ça ne va tarder à mon avis) :

-         Les nanomatériaux

-         La nanoinformatique

-         La nanobiotechnologie et la nanomédecine

Les nanomatériaux constituent la voie la plus prometteuse et c’est également elle qui exploite le plus de ressources humaines et financières depuis leurs découvertes en 1991 par les laboratoires japonais. Les produits phares sont bien entendu les nanotubes de carbones : 7 fois plus légers et 200 fois plus résistants que de l’acier et en plus ils sont souples et peuvent se « tordre ». Les laboratoires arrangent des atomes de carbones en pentagones et en hexagones dans le même plan pour venir ensuite l’enrouler comme du grillage et ainsi fabriquer un tube creux composé à 100% de carbone. Ces matériaux peuvent être utilisés dans l’aérospatiale et l’aéronautique pour des raisons de résistance et de poids mais aussi dans des raquettes de tennis ou dans l’industrie en général.

Mais il n’y a pas que les propriétés mécaniques qui font rêver, les propriété électroniques de ces matériaux sont aussi très convoitées. Suivant leur structure spatiale, ils peuvent être conducteurs ou semi-conducteurs (les semi-conducteurs sont les matériaux électroniques par excellence et composent tous les transistors et les diodes dans nos ordinateurs) d’où un avenir très prometteur pour développer la nanoinformatique. C’est bien pour cela qu’IBM et Intel dépensent des sommes gigantesques dans la recherche sur les nanotubes. En effet, IBM étudie très sérieusement la fabrication à échelle industrielle de transistors composés de nanotubes en carbone car ces matériaux seraient la solution pour continuer de respecter la loi de Moore qui va sûrement devenir fausse dans une petite dizaine d’années à cause d’une trop grande miniaturisation des transistors en Silicium. En effet, Gordon Moore, cofondateur de la société Intel avait affirmé en 1965 pour une conférence de presse, que "le nombre de transistors par circuit de même taille va doubler tous les 18 mois". Cette affirmation a marqué les esprits, puisqu'elle est devenue un défi à tenir pour les fabricants de microprocesseurs, et plus particulièrement pour Intel. Entre 1971 et 2001, la densité des transistors a doublé chaque 1,96 année, les PC étaient donc de plus en plus puissants et de moins en moins chers. Mais on est encore loin du compte pour la nanoinformatique car pour le moment on fabrique ces transistors du futur « à la main » en petite quantité et c’est très long, l’étape industrielle va être un pas difficile à franchir. Mais il y a de fortes raisons de penser que nos micro-ordinateurs en silicium vont être détrônés par des nano-odinateurs en carbone.

Les nanosciences ont également de vent en poupe pour la biologie et la médecine. Des recherches actives sont menées dans ces domaines et les premières applications commencent à apparaître. Particulièrement des nano-diffuseurs implantés sous la peau qui vont diffuser un produit chimique en continu dans notre corps pour réguler certaines substances. On trouve ce genre de texte en cherchant un peu sur le net : « des nanoparticules implantées sous la peau, qui permettent l'affichage d'un écran de 6cm sur 5, le tout relié à des puces qui surveillent notre corps afin de pouvoir afficher un bilan complet » ou bien encore dans Courrier International : « Des ensembles moléculaires de la taille d'un brin d'ADN s'introduiront dans nos cellules malades afin de les réparer de l'intérieur. Tout cela en cachette de notre système immunitaire ».  Non, ce n’est pas de la science fiction mais bien des projets pour notre avenir qui nous transformera peut être en cyborg ????

Il y a encore les nanorobots, les nanomachines, les nanocequevousvoulez et je suis persuadé qu’ils ne vont pas tarder à remplir notre quotidien….

C’est arrivé à tout le monde, une photo avec flash et surprise: les yeux sont rouges vifs tel un lapin atteint de myxomatose! Cet effet n’est pas un problème des appareils photos comme beaucoup de gens le croient, nous avons vraiment les yeux rouges lors d’une photo prise de face avec un flash, mais pourquoi ?

Notre œil est composé de l’iris qui fait la couleur de nos yeux et d’une pupille noire en son centre. Les rayons lumineux entrent par la pupille et une image se forme sur notre rétine. La zone de convergence des faisceaux au centre de la rétine est appelée la macula. De nombreux vaisseaux sanguins irriguent la rétine et la macula, ce qui confère une couleur rouge à cette zone. Nos pupilles se dilatent plus ou moins selon la lumière, ainsi, dans la nuit, notre pupille est dilatée au maximum pour absorber le maximum de lumière. Si un éclair bref et violent comme un flash est émis, notre pupille n’a pas le temps de se rétracter et le flash éclaire alors directement le fond de notre œil. Si la photo est prise de face, le flash éclaire directement la macula qui est bel et bien rouge. Résultat : Nos pupilles apparaissent rouges sur la photo.

  Fond de l’œil : la rétine parcourue par des vaisseaux sanguins avec au centre la macula

Pour éviter cet effet yeux rouges, certains appareils possèdent un flash anti-yeux rouges qui émet un premier flash avant d’émettre le flash final permettant de prendre la photo dans l’obscurité. De cette manière, notre pupille se rétracte lors du premier flash et nous n’avons donc plus les yeux rouges lors du second flash vu que la pupille n’est plus dilatée.

Pour conclure, on peut éviter les yeux rouges sur une photo avec un « pré-flash » ou en prenant la photo de biais de manière à ne pas éclairer le fond de l’œil directement. On trouve également des filtres anti-yeux rouges dans les logiciels de retouche photo afin de remplacer le rouge par une couleur foncée. Cela marche bien mais il ne faut pas trop zoomer auquel cas la retouche est visible.

Avant-hier à 15h12, heure française, la fusée Ariane 5 a décollée avec succès pour la 44^ième fois depuis Kourou en Guyane. Cette mission n'est pas anodine puisque Ariane 5 transportait 2 bijoux technologiques dédiés à la Science dans son « petit » chapeau : les satellites européens Planck et Herschel.

Planck et Herschel sont 2 télescopes spatiaux mais ils sont très différents l'un de l'autre. Herschel est un télescope relativement classique permettant l'observation dans l'infrarouge moyen et lointain à l'aide d'un miroir de 3,5 m de diamètre alors que Planck permet l'observation du rayonnement fossile micro-onde à l'aide de bolomètres ultrasensibles fonctionnant à très basses températures.

Ce billet est spécialement consacré au satellite Planck qui est un peu spécial. Planck doit d'abord atteindre un point particulier de l'espace (le point de Lagrange L2 qu'il atteindra dans 3 mois) pour pouvoir commencer à fonctionner pendant un peu moins de 2 ans.

Planck : comme Max

Le nom de ce satellite vient du physicien allemand Max Planck,  un des pères de la physique quantique, mais quel est le rapport ? Ce satellite a pour ambition de déterminer avec une extrême précision ce que les astrophysiciens appellent le rayonnement de fond cosmologique. Ce rayonnement est une application parfaite de ce qu'on appelle le rayonnement du corps noir, problème justement résolu par Max Planck à la fin du 19^ième siècle et qui permettra à Planck d'élaborer en 1900 à la théorie des quanta qui deviendra plus tard la fameuse physique quantique. L'étude du rayonnement électromagnétique d'un corps noir permet de calculer la température d'un objet à partir de l'analyse de son spectre, voir le billet Comment mesurer la température d'une étoile qui explique en détail tout ceci.

Le fond diffus cosmologique

On l'appelle aussi le rayonnement de fond cosmologique, le bruit de fond cosmologique ou plus simplement le rayonnement fossile, car il constitue le plus vieux fossile de notre Univers. D'après la théorie du Big-Bang, la première « lumière » a été émise par l'Univers 380 000 ans après sa création il y a 13 milliards d'années quand ce dernier c'était suffisamment refroidi à cause de son expansion (l'Univers s'était alors refroidi à 3000°C). A cet instant, les photons ont enfin pu se libérer pour aller vaquer à leur occupation favorite : se balader librement (on appelle cela rayonner en physique) créant ainsi de la lumière qui inondât l'Univers tout entier !

Ce rayonnement fossile primordial a été pensé théoriquement dans les années 40 et il a été détecté pour la première fois par le plus grand des hasards par 2 ingénieurs américains des laboratoires Bell en 1965 alors qu'ils travaillaient sur des antennes. Ils avaient détecté un « bruit de fond» qui perturbait leurs antennes dans toutes les directions du ciel. Ce bruit de fond constant présent dans toutes les directions autour des 160 GHz (micro-ondes) s'avéra être le fameux fond diffus cosmologique qui avait été prédit théoriquement mais qui demeurerait introuvable. Ce fut une énorme avancée pour la théorie du Big-Bang. Désormais ce rayonnement possède une température de 2,726 K comme l'Univers n'a pas cessé son expansion et donc son refroidissement.

Planck le cartographe

Un des objectifs scientifiques du satellite Planck est d'élaborer la « cartographie » la plus précise possible de ce rayonnement fossile qui possède d'infimes fluctuations. Deux missions américaines de la NASA ont déjà établi une cartographie relativement fine (COBE lancé en 1989 puis WMAP lancé en 2001) mais on cherche à quantifier encore plus précisément ces fluctuations qui ont certainement été à l'origine des futures grandes structures de notre Univers (Galaxies, amas, superamas....). Toute la cosmologie moderne se base essentiellement sur les fluctuations de ce rayonnement, d'où l'importance capitale de cette mission.

Des Bolomètres à ultra basse température

Pour détecter un rayonnement, on utilise un détecteur appelé « bolomètre » qui permet de mesurer précisément une quantité d'énergie électromagnétique reçue en convertissant l'énergie du rayonnement en chaleur. Au final on mesure la température du bolomètre de manière à déduire la quantité de chaleur issue du rayonnement. On comprend alors aisément que plus le bolomètre est chaud, et plus une petite variation de chaleur sera difficile à détecter. Conclusion : plus le bolomètre est froid, plus il est précis !

Planck est équipé de 54 bolomètres permettant de mesurer les rayonnements à différentes fréquences constituant le spectre du fond diffus cosmologique. Pour obtenir la précision requise par la mission, les bolomètres seront refroidis à d'ultra-basses températures, entre 90 mK et 130 mK (soit environ un centième de degré au dessus du zéro absolu, -273,15°C). La résolution ainsi obtenue sera 600 fois meilleure que la première mission américaine COBE.

Le réfrigérateur à dilution

Pour refroidir ces bolomètres, le satellite Planck embarque à son bord un réfrigérateur à dilution. Ce type de réfrigérateur fonctionne avec un mélange de 2 isotopes stables de l'hélium (3He et 4He). Les frigos à dilution commencent à une température de 4,2 K (avec de l'hélium liquide classique) pour fournir une puissance de réfrigération continue jusqu'à 2 millikelvins sans aucune partie mobile ! En général ils fonctionnent plutôt aux alentours des 100 mK.

En gros, le fait de « diluer » de l'hélium-3 liquide (très rare sur Terre) dans de l'hélium-4 liquide (l'hélium classique) permet de faire du froid. Ces 2 fluides cryogéniques sont assez particuliers car ils possèdent des points de liquéfaction très bas (4,2 K pour 4He et 3,2 K pour 3He à  pression atmosphérique). En dessous de 0,9 K 3He et 4He se séparent spontanément en 2 phases (1 phase riche en 3He et une phase pauvre en 4He) et quand l'hélium-3 « traverse » cette phase diluée pour ensuite s'évaporer, il y a création de froid (je ne rentrerai pas dans les détails ici), voir figure ci-dessous qui représente ce qu'on appelle la chambre de mélange qui se trouve en bas du réfrigérateur :

La dilution spatiale

Le principe de la dilution utilise la gravité pour séparer les mélanges, ce qui n'est pas possible dans un satellite! Un nouveau type de réfrigérateur à dilution pouvant fonctionner dans l'espace a donc été développé à Grenoble, le pôle de la cryogénie française. Le démonstrateur de la dilution a été construit à l'institut Néel (CNRS) à Grenoble par Alain Benoît, son équipe et les services techniques de son laboratoire. J'ai d'ailleurs eu la chance de voir un prototype de ce réfrigérateur à Grenoble il y a environ 2 ans alors que j'assistais à des cours de cryogénie. Le mélange 3He/4He circule dans des tubes de très petites dimensions qui rendent le système insensible à la gravité. Le réfrigérateur à dilution a ensuite été construit par la société française Air Liquide à Sassenage, à proximité de Grenoble. En revanche, le réfrigérateur de Planck fonctionne en boucle ouverte: le mélange est ensuite rejeté dans l'espace et la durée de vie du système dépend alors de la quantité d'hélium qui est embarquée au décollage (environ 2 ans de vie dans le cas de Planck). On souhaite une grande réeussite à cette mission européenne!