En un coup d'œil
Les nanotechnologies manipulent la matière à l'échelle du nanomètre (un milliardième de mètre), soit 10 000 fois plus petit que l'épaisseur d'un cheveu, avec des propriétés physiques totalement inédites.
Cette science transforme déjà notre quotidien : vaccins à ARN messager, écrans OLED ultra-performants, textiles autonettoyants, et prépare l'avenir de la médecine, de l'énergie et de l'informatique.
L'ingéniosité humaine atteint ici des sommets : manipuler individuellement les atomes pour créer des matériaux aux propriétés nouvelles et reprogrammer la matière selon nos besoins.
Manipuler la matière atome par atome relevait de la science-fiction dans les années 1950. Pourtant, cette vision audacieuse d'un physicien américain est devenue réalité. Les nanotechnologies transforment aujourd'hui notre quotidien en exploitant les propriétés extraordinaires de la matière à l'échelle du nanomètre. Pour saisir ce que représente cette unité de mesure, un nanomètre équivaut à un milliardième de mètre, soit 10 000 fois plus petit que l'épaisseur d'un cheveu humain. À cette échelle vertigineuse, les lois physiques changent radicalement par rapport à ce que nous connaissons dans notre monde macroscopique. Les matériaux acquièrent ainsi des propriétés optiques, électriques, magnétiques et mécaniques totalement nouvelles qui offrent de nouvelles possibilités.
De la prophétie scientifique aux nanomatériaux du quotidien
L'histoire des nanotechnologies débuta véritablement en 1959 lorsque le physicien Richard Feynman prononça sa conférence historique "There's Plenty of Room at the Bottom" devant l'American Physical Society. Ce scientifique visionnaire prédit alors la possibilité de déplacer des atomes individuels et d'assembler des structures nanométriques. Cette vision demeura toutefois purement théorique pendant plus de vingt ans. Il fallut attendre 1981 pour que Gerd Binnig et Heinrich Rohrer, chercheurs d'IBM, inventent le microscope à effet tunnel (STM), permettant enfin d'observer et de manipuler des atomes isolés.
C'est le 11 novembre 1989 que l'exploit historique survint. Don Eigler et Erhard Schweizer, chercheurs d'IBM Almaden en Californie, réussirent à écrire I B M en déplaçant des atomes de xénon. Cette prouesse nécessita 22 heures de travail dans des conditions extrêmes, notamment une chambre à vide refroidie à -269,15°C (soit 4 degrés au-dessus du zéro absolu). Les chercheurs utilisèrent la pointe de leur microscope à effet tunnel : en l'approchant d'un atome de xénon, ils parvinrent à créer une force d'attraction suffisante pour le déplacer jusqu'à la position souhaitée et ainsi former les lettres. Cela fit sensation dans le monde entier, démontrant pour la première fois qu'il était possible de manipuler la matière à son échelle la plus fondamentale.
Le saviez-vous ? Le terme "nanotechnologie" a été inventé par le chercheur japonais Norio Taniguchi en 1974.
Cet exploit déclencha une accélération des recherches dans les années 1990, provoquant une véritable course technologique mondiale. Aux États-Unis, les nanotechnologies sont devenues une initiative fédérale en 2000 avec la National Nanotechnology Initiative mobilisant des budgets colossaux. L'Union européenne fit de même avec des programmes-cadres de recherche, notamment le 6e (2002-2006) dédié aux nanotechnologies, ainsi que la Chine et le Japon. Cet attrait pour ce secteur novateur démontre son potentiel et il ne cesse de s'amplifier au gré des découvertes, avec des perspectives infinies : matériaux, informatique, chimie, médecine, ingénierie, électronique, etc.
Parmi les découvertes de cette période, peuvent être cités les nanotubes de carbone, observés en 1991 par Sumio Iijima, et le graphène, isolé en 2004 par Andre Geim et Konstantin Novoselov (prix Nobel de physique 2010), qui ont révélé des propriétés quantiques remarquables. Ils trouvent aujourd'hui des applications dans l'électronique, les batteries et les matériaux composites.
Pour comprendre ces propriétés, les "nanos" peuvent par exemple être utilisées pour concevoir des peintures auto-nettoyantes, comme l'ont démontré des chercheurs avec des nanoparticules de TiO2-NPs. Elles possèdent des propriétés dépolluantes lorsqu'elles sont exposées à la lumière du Soleil et sont obtenues à partir de déchets : "Pour obtenir du phosphore, de l’azote et du carbone, nous avons utilisé des feuilles d’olivier séchées, et le titane pour les nanoparticules d’oxyde de titane a été obtenu à partir de déchets métalliques, qui sont normalement jetés" comme l'a expliqué Günther Rupprechter.
Pourquoi la taille change tout : les propriétés inédites des nanomatériaux
À l'échelle nanométrique, la matière se comporte de façon radicalement différente de ce que l'on connaît dans le monde visible. L'explication principale tient au rapport entre la surface et le volume d'une particule : plus celle-ci rétrécit, plus la proportion d'atomes situés en surface devient considérable par rapport aux atomes internes. Pour une nanoparticule d'or de 3 nanomètres, plus de 50 % des atomes sont en surface, contre moins de 0,01 % pour un lingot ordinaire. Cette proportion extraordinaire démultiplie la réactivité chimique et modifie les propriétés optiques, électriques et magnétiques des matériaux de façon souvent surprenante.
L'or permet de comprendre quelques spécificités. L'or macroscopique est jaune, tandis que les nanoparticules d'or sont rouges, oranges ou violettes selon leur taille, parce que les électrons de surface absorbent et diffusent la lumière différemment à cette échelle (un phénomène appelé "résonance plasmonique de surface"). Dans le passé, ce mécanisme était exploité par les artisans médiévaux qui incorporaient des nanoparticules d’or dissoutes dans le verre dans les vitraux de cathédrales pour obtenir un rouge rubis : les vitraux de Notre-Dame de la Belle Verrière dans la cathédrale Notre-Dame de Chartres en témoignent. De même, certains matériaux ferromagnétiques (ceux qui ont la capacité de s'aimanter sous l'effet d'un champ magnétique extérieur) perdent leurs propriétés magnétiques en-dessous d'une taille critique et deviennent superparamagnétiques, une propriété exploitée pour les produits de contraste de l'IRM.
Le saviez-vous ? Le graphène, une feuille de carbone épaisse d'un seul atome, est 100 fois plus résistant que l'acier tout en étant presque transparent et excellent conducteur électrique. Andre Geim et Konstantin Novoselov ont reçu le prix Nobel de physique en 2010 pour l'avoir isolé en réalisant une exfoliation mécanique minutieuse avec du ruban adhésif.
Ces propriétés s'expliquent en partie par les effets de la physique quantique qui dominent le comportement des électrons à des dimensions aussi réduites : la superposition des états, l'intrication entre particules, le caractère fondamentalement aléatoire de la mesure. C'est précisément en exploitant ces spécificités que les chercheurs et les ingénieurs parviennent à créer des matériaux aux propriétés exceptionnelles. Comme vous allez le constater, les applications des nanotechnologies sont multiples et concernent de nombreux secteurs.
Aperçu des perspectives offertes par les nanotechnologies
Les applications liées à la médecine
La nanomédecine est en train de bouleverser l'approche thérapeutique. Par exemple, elle utilise des nanoparticules pour cibler les cellules malades tout en épargnant les tissus sains. Des chercheurs ont également développé des nanorobots à base d'ADN capables d'interagir avec les cellules pour les étudier : "ce couplage permet ensuite de diriger le robot sur certaines de nos cellules et appliquer spécifiquement des forces sur les mécano-récepteurs cellulaires ciblés et localisés à la surface des cellules afin de les activer". Par ailleurs, au CNRS, ont été conçus des essaims de nanorobots magnétiques capables de déstructurer les biofilms bactériens, des colonies de bactéries résistantes aux antibiotiques et causant des infections chroniques.
Certainement, avez-vous entendu parler des vaccins à "ARN messager" lors de la crise sanitaire liée au SARS-Cov2 (virus à l'origine de la Covid-19). Ils reposent sur deux innovations : les molécules d'ARNm et les nanocapsules lipidiques. Une fois injectées, les premières produisent un fragment du virus afin de permettre au système immunitaire de s'activer : le reconnaître et agir s'il se présente à nouveau. Cependant, encore faut-il qu'elles atteignent leur cible, les cellules ! Or, leur fragilité les rend vulnérables, notamment aux enzymes. C'est là qu'interviennent les nanocapsules lipidiques : c'est en quelque sorte, leur "moyen de transport sécurisé". Elles permettent aux molécules d'atteindre leur cible, en évitant la dégradation et en facilitant leur entrée dans les cellules.
L'imagerie médicale profite aussi de ces avancées. Pour l'IRM, certains agents de contraste utilisant les nanoparticules d'oxyde de fer (USPIO) ont l'inconvénient d'être détectés par l'organisme, de sorte qu'ils sont éliminés rapidement et limités à un seul organe. Des chercheurs ont trouvé une solution : en modifiant leur surface, ils sont parvenus à les rendre furtives (indétectables par le système immunitaire). Comme l'a expliqué le CNRS, cela leur permet de "rester jusqu'à 50 fois plus longtemps dans le sang et se propager à tous les organes", avec la possibilité d'étendre l'IRM à plus de zones et d'utiliser les nanoparticules en oncologie.
Les applications liées à l'informatique
Du côté de l'informatique, les ordinateurs quantiques représentent l'une des applications les plus ambitieuses. Ces machines exploitent la superposition et l'intrication pour effectuer des calculs exponentiellement plus rapidement que les ordinateurs classiques. C'est le qubit (bit quantique) qui constitue l'unité de base de l'information quantique. Contrairement à un bit classique qui vaut 0 ou 1, un qubit peut exister dans ces deux états simultanément, 0 et 1, grâce à la superposition qui a été vue dans la partie précédente. Cette propriété, combinée à l'intrication entre plusieurs qubits, permet d'effectuer de nombreux calculs en parallèle, comme l'analogie du labyrinthe.
Cette puissance de calcul très est utile pour la recherche de nouvelles molécules (médicaments), le transport, la sécurité, la modélisation, la logistique, l'environnement, l'énergie ou l'aérospatial. Par exemple, la start-up française Pasqal développe des solutions quantiques pour répondre à des défis tels que le changement climatique, l'accès aux soins de santé, la découverte de médicaments, l'amélioration des transports, la gestion de l'énergie ou l'implantation de parcs éoliens.
Les enjeux et les applications liés aux données
L'usage massif des clouds, d'internet, de l'intelligence artificielle, ou encore, de la vidéo à la demande, implique la gestion d'un nombre conséquent de données, qui ne cesse d'augmenter. Or, elles doivent être stockées dans des lieux capables de les accueillir et ce, avec une sécurité optimale. C'est la raison pour laquelle se développent partout dans le monde des "data centers". Ils sont à la pointe de la technologie et très efficaces pour le stockage.
Le saviez-vous ? Paris Digital Park est le plus grand data center français, avec 630 000 serveurs, 5 000 km de câbles, 40 000 m2 de salles informatiques (soit 7 terrains de football...).
Faut-il s'en réjouir ? La réponse est négative à ce jour. Les data centers sont gourmands en énergie et ont une empreinte carbone numérique élevée. Ils représentent environ 3% de la consommation d'énergie dans le monde et il est évident qu'elle augmentera à l'avenir. Par ailleurs, ils utilisent de grandes quantités d'eau pour leurs systèmes de refroidissement (eau + énergie). Cet usage est également problématique, notamment lorsque les chaleurs sont élevées.
En France, la consommation d'énergie des data centers était estimée à "10 TWh en 2023 et pourrait atteindre 28 TWh par an d'ici 2035" d'après Clément Marquet, chargé de recherche aux Mines Paris. Pour y remédier, certains s'orientent vers les énergies renouvelables. Par exemple, en accompagnant la construction d'un data center de l'implantation d'un parc photovoltaïque. Cependant, le chercheur précise que c'est surtout l'attractivité du lieu d'implantation qui est privilégiée : fiscalité, droit, foncier, politique, coût de l'énergie, etc.
Et les nanotechnologies ? Pour répondre à cet enjeu de taille, se développent dans la recherche des techniques de stockage innovantes et plus responsables grâce aux nanos.
La plus étonnante est le stockage sur ADN. Il consiste à convertir les données informatiques (composées de 0 et 1) en séquences d'ADN synthétique. Chaque base de l'ADN (A, C, T, G) peut ainsi représenter une combinaison binaire spécifique. Les scientifiques peuvent ensuite concevoir physiquement ces brins d'ADN par synthèse chimique, puis les conserver dans des capsules métalliques. Enfin, les données peuvent être récupérées avec le séquençage de cet ADN permettant leur lecture. L'intérêt ? Une densité de stockage exceptionnelle dans un espace extrêmement réduit, bien éloigné des data centers actuels !
Une autre innovation prometteuse exploite les propriétés optiques de l'or. Des chercheurs du CNRS et de l'Université de Bordeaux ont développé des nanocomposites associant des matériaux à transition de spin et des nanobarreaux d'or. Les premiers basculent entre deux états magnétiques distincts (0 et 1) sous l'effet de la chaleur, tandis que les seconds agissent comme de minuscules radiateurs amplifiant la chaleur. Cela permet de réduire d'un facteur 100 000 la consommation d'énergie lumineuse, avec un système fonctionnel grâce à des diodes laser ordinaires pour un stockage de données miniaturisé et économe en énergie.
Toutefois, il s'agit de technologies émergentes qui n'en sont qu'au stade de la recherche. Il faudra encore de nombreuses années avant qu'elles puissent être déployées. Les investissements pourraient ainsi s'orienter davantage vers la recherche dans ce secteur prometteur, plutôt que dans la construction de data centers supplémentaires... Cependant, comme l'a précisé le chercheur au CNRS Gilles Sassatelli : "la science ne permettra pas à elle seule de minimiser l'empreinte carbone du numérique. Il faut aussi intégrer la question des usages".
Pour Approfondir
Alain Aspect (conférence), Des concepts aux applications : les deux révolutions quantiques, Espace des sciences, 2024.
Emmanuel Garcion, Nanotechnologies : Un nouveau pan de la médecine, INSERM, 2022.
France Culture, Course au quantique : sous le capot des ordinateurs du futur, Radio France, 2024.
Clément Marquet, Data centers : faut-il choisir entre numérique et écologie ?, Polytechnique Insights, 2025.