Après plus de 20 ans de recherche fondamentale en nanosciences et plus de 15 ans de R-D ciblée dans le cadre de l’INN, les applications de la nanotechnologie donnent les résultats escomptés et inattendus de la promesse de la nanotechnologie de profiter à la société.

La nanotechnologie contribue à améliorer considérablement, voire à révolutionner, de nombreux secteurs technologiques et industriels : technologies de l’information, sécurité intérieure, médecine, transports, énergie, sécurité alimentaire et sciences environnementales, entre autres. Vous trouverez ci-dessous un échantillon de la liste des avantages et des applications de la nanotechnologie, qui ne cesse de s’allonger.

De nombreux avantages de la nanotechnologie dépendent du fait qu’il est possible d’adapter les structures des matériaux à des échelles extrêmement petites pour obtenir des propriétés spécifiques, ce qui élargit considérablement la boîte à outils de la science des matériaux. Grâce à la nanotechnologie, les matériaux peuvent être rendus plus résistants, plus légers, plus durables, plus réactifs, plus semblables à des tamis ou de meilleurs conducteurs électriques, entre autres caractéristiques. De nombreux produits commerciaux de tous les jours sont actuellement sur le marché et utilisés quotidiennement qui reposent sur des matériaux et des procédés à l’échelle nanométrique :

Les additifs à l’échelle nanométrique ou les traitements de surface des tissus peuvent fournir une déflexion légère de l’énergie balistique dans les gilets pare-balles ou peuvent les aider à résister aux plis, aux taches et à la croissance bactérienne.
Les films transparents à l’échelle nanométrique sur les lunettes, les écrans d’ordinateur et de caméra, les vitres et autres surfaces peuvent les rendre imperméables à l’eau et aux résidus, antireflet, autonettoyants, résistants à la lumière ultraviolette ou infrarouge, antibuée, antimicrobiens, inrayables ou électriquement conducteurs.
Les matériaux à l’échelle nanométrique commencent à permettre la fabrication de “tissus intelligents” lavables et durables, équipés de capteurs et d’appareils électroniques flexibles à l’échelle nanométrique, capables de surveiller la santé, de capter l’énergie solaire et de récupérer l’énergie par le mouvement.
L’allégement des voitures, des camions, des avions, des bateaux et des engins spatiaux pourrait entraîner des économies de carburant importantes. Des additifs à l’échelle nanométrique dans des matériaux composites polymères sont utilisés dans les battes de baseball, les raquettes de tennis, les bicyclettes, les casques de moto, les pièces automobiles, les bagages et les boîtiers d’outils électriques, ce qui les rend légers, rigides, durables et résistants. Des feuilles de nanotubes de carbone sont maintenant produites pour être utilisées dans les véhicules aériens de la prochaine génération. Par exemple, la combinaison de la légèreté et de la conductivité les rend idéales pour des applications telles que le blindage électromagnétique et la gestion thermique.

La nanobioingénierie des enzymes vise à permettre la conversion de la cellulose des copeaux de bois, des tiges de maïs, des graminées vivaces non fertilisées, etc. en éthanol comme combustible. Les nanomatériaux cellulosiques ont démontré des applications potentielles dans un large éventail de secteurs industriels, notamment l’électronique, la construction, l’emballage, l’alimentation, l’énergie, les soins de santé, l’automobile et la défense. Les nanomatériaux cellulosiques devraient être moins chers que de nombreux autres nanomatériaux et, entre autres caractéristiques, présenter un rapport résistance/poids impressionnant.
Les matériaux nanotechnologiques utilisés dans les produits automobiles comprennent des systèmes de batteries rechargeables à haute puissance, des matériaux thermoélectriques pour le contrôle de la température, des pneus à faible résistance au roulement, des capteurs et des composants électroniques à haut rendement et à faible coût, des panneaux solaires intelligents à couche mince et des additifs de carburant pour un échappement plus propre et une autonomie accrue.

Les revêtements céramiques nanostructurés présentent une ténacité bien supérieure à celle des revêtements classiques résistants à l’usure pour pièces de machines. Les lubrifiants et les huiles moteur compatibles avec la nanotechnologie réduisent également considérablement l’usure, ce qui peut prolonger considérablement la durée de vie des pièces mobiles, qu’il s’agisse d’outils électriques ou de machines industrielles.

Les nanoparticules sont de plus en plus utilisées en catalyse pour stimuler les réactions chimiques. Ceci réduit la quantité de matériaux catalytiques nécessaires pour produire les résultats souhaités, ce qui permet d’économiser de l’argent et de réduire les polluants. Deux grandes applications sont le raffinage du pétrole et les convertisseurs catalytiques automobiles.
Les matériaux nanotechnologiques permettent de fabriquer des produits ménagers de qualité supérieure tels que des dégraissants et des détachants, des capteurs environnementaux, des purificateurs d’air et des filtres, des nettoyants antibactériens et des peintures et produits d’étanchéité spécialisés, comme les peintures autonettoyantes pour la maison qui résistent à la saleté et aux marques.
Des matériaux à l’échelle nanométrique sont également incorporés dans une variété de produits de soins personnels afin d’améliorer le rendement. Le dioxyde de titane et l’oxyde de zinc à l’échelle nanométrique sont utilisés depuis des années dans les écrans solaires pour offrir une protection contre le soleil tout en paraissant invisible sur la peau.

Rôle dans l’informatique et l’électronique

La nanotechnologie a grandement contribué aux progrès majeurs de l’informatique et de l’électronique, menant à des systèmes plus rapides, plus petits et plus portatifs qui peuvent gérer et stocker des quantités d’information de plus en plus grandes. Ces applications en constante évolution comprennent :

Les transistors, les commutateurs de base qui permettent tous les ordinateurs modernes, sont devenus de plus en plus petits grâce à la nanotechnologie. Au début du siècle, un transistor typique avait une taille de 130 à 250 nanomètres. En 2014, Intel a créé un transistor de 14 nanomètres, puis IBM a créé le premier transistor de 7 nanomètres en 2015, puis Lawrence Berkeley National Lab a présenté un transistor de 1 nanomètre en 2016 ! Des transistors plus petits, plus rapides et meilleurs peuvent signifier que bientôt toute la mémoire de votre ordinateur pourra être stockée sur une seule puce minuscule.
Grâce à la mémoire aléatoire magnétique (MRAM), les ordinateurs pourront “démarrer” presque instantanément. Le MRAM est activé par des jonctions de tunnel magnétique à l’échelle nanométrique et peut enregistrer rapidement et efficacement les données pendant l’arrêt d’un système ou activer des fonctions de reprise du jeu.
Des écrans et des téléviseurs à ultra-haute définition sont maintenant vendus qui utilisent des points quantiques pour produire des couleurs plus éclatantes tout en étant plus éconergétiques.

L’électronique flexible, pliable, pliable, enroulable et extensible s’étend à divers secteurs et est intégrée dans une variété de produits, y compris les articles portables, les applications médicales, les applications aérospatiales et l’Internet des objets. L’électronique flexible a été développée en utilisant, par exemple, des nanomembranes semi-conductrices pour des applications dans les écrans des smartphones et des lecteurs électroniques. D’autres nanomatériaux comme le graphène et les nanomatériaux cellulosiques sont utilisés pour divers types d’électronique souple afin de permettre l’utilisation de capteurs portables et “tatouables”, de capteurs photovoltaïques qui peuvent être cousus sur les vêtements et de papier électronique qui peut être enroulé. La fabrication d’une électronique plate, flexible, légère, non fragile et hautement efficace ouvre la porte à d’innombrables produits intelligents.
Parmi les autres produits informatiques et électroniques, mentionnons les puces mémoire Flash pour les téléphones intelligents et les clés USB, les prothèses auditives ultra-réactives, les revêtements antimicrobiens et antibactériens sur les claviers et les boîtiers de téléphones cellulaires, les encres conductrices pour les produits électroniques imprimés, les cartes RFID et les emballages intelligents et les écrans souples pour lecteurs de livres numériques.
Les suspensions de cuivre à base de nanoparticules ont été développées comme une alternative plus sûre, moins chère et plus fiable aux soudures à base de plomb et autres matériaux dangereux couramment utilisés pour fusionner l’électronique dans le processus d’assemblage.

Rôle dans la santé

La nanotechnologie élargit déjà les outils médicaux, les connaissances et les thérapies actuellement à la disposition des cliniciens. La nanomédecine, l’application de la nanotechnologie en médecine, s’appuie sur l’échelle naturelle des phénomènes biologiques pour produire des solutions précises pour la prévention, le diagnostic et le traitement des maladies. Voici quelques exemples d’avancées récentes dans ce domaine :

Les applications commerciales ont adapté des nanoparticules d’or comme sondes pour la détection de séquences ciblées d’acides nucléiques, et les nanoparticules d’or font également l’objet d’études cliniques comme traitements potentiels du cancer et d’autres maladies.
De meilleurs outils d’imagerie et de diagnostic rendus possibles par la nanotechnologie ouvrent la voie à un diagnostic plus précoce, à des options de traitement plus individualisées et à de meilleurs taux de réussite thérapeutique.
La nanotechnologie est à l’étude pour le diagnostic et le traitement de l’athérosclérose ou de l’accumulation de plaque dans les artères. Dans une technique, les chercheurs ont créé une nanoparticule qui imite le ” bon ” cholestérol de l’organisme, appelé HDL (lipoprotéine de haute densité), qui aide à réduire la plaque.
La conception et l’ingénierie de matériaux nanopore à l’état solide avancés pourraient permettre la mise au point de nouvelles technologies de séquençage de gènes permettant la détection d’une seule molécule à faible coût et à grande vitesse avec une préparation et une instrumentation minimales des échantillons.
Les chercheurs en nanotechnologie travaillent sur un certain nombre de thérapies différentes où une nanoparticule peut encapsuler ou autrement aider à administrer des médicaments directement aux cellules cancéreuses et à minimiser le risque de dommages aux tissus sains. Cela pourrait changer la façon dont les médecins traitent le cancer et réduire considérablement les effets toxiques de la chimiothérapie.
La recherche sur l’utilisation de la nanotechnologie en médecine régénérative couvre plusieurs domaines d’application, dont le génie des os et des tissus neuronaux. Par exemple, de nouveaux matériaux peuvent être mis au point pour imiter la structure minérale cristalline de l’os humain ou utilisés comme résine de restauration pour des applications dentaires. Les chercheurs cherchent des moyens de faire croître des tissus complexes dans le but de faire croître un jour des organes humains destinés à la transplantation. Les chercheurs étudient également des façons d’utiliser les nanorubans de graphène pour aider à réparer les lésions de la moelle épinière ; des recherches préliminaires montrent que les neurones se développent bien sur la surface conductrice du graphène.
Les chercheurs en nanomédecine étudient les moyens par lesquels la nanotechnologie peut améliorer les vaccins, y compris l’administration de vaccins sans l’utilisation d’aiguilles. Les chercheurs travaillent également à la création d’un échafaudage universel pour le vaccin antigrippal annuel qui couvrirait davantage de souches et nécessiterait moins de ressources pour se développer chaque année.

Rôle des nanotechnologies dans l’énergie

La nanotechnologie trouve des applications dans les sources d’énergie traditionnelles et améliore considérablement les approches énergétiques alternatives pour aider à répondre à la demande mondiale croissante d’énergie. De nombreux scientifiques cherchent des moyens de développer des sources d’énergie propres, abordables et renouvelables, ainsi que des moyens de réduire la consommation d’énergie et d’alléger le fardeau de la toxicité sur l’environnement :
La nanotechnologie améliore l’efficacité de la production de combustibles à partir de matières premières pétrolières grâce à une meilleure catalyse. Il permet également de réduire la consommation de carburant des véhicules et des centrales électriques grâce à une combustion plus efficace et à une réduction de la friction.
La nanotechnologie est également appliquée à l’extraction du pétrole et du gaz grâce, par exemple, à l’utilisation de vannes de levage à gaz activées par la nanotechnologie dans les opérations offshore ou à l’utilisation de nanoparticules pour détecter les fractures microscopiques des pipelines en aval.
Les chercheurs étudient des “épurateurs” de nanotubes de carbone et des membranes pour séparer le dioxyde de carbone des gaz d’échappement des centrales électriques.

Les chercheurs mettent au point des fils contenant des nanotubes de carbone qui auront une résistance beaucoup plus faible que les fils haute tension actuellement utilisés dans le réseau électrique, réduisant ainsi la perte de puissance de transmission.
Les nanotechnologies peuvent être incorporées dans les panneaux solaires pour convertir plus efficacement la lumière du soleil en électricité, ce qui promet une énergie solaire peu coûteuse à l’avenir. Les cellules solaires nanostructurées pourraient être moins coûteuses à fabriquer et plus faciles à installer, puisqu’elles peuvent utiliser des procédés de fabrication semblables à l’impression et être fabriquées en rouleaux flexibles plutôt qu’en panneaux discrets. De nouvelles recherches suggèrent que les futurs convertisseurs solaires pourraient même être “peignables”.
La nanotechnologie est déjà utilisée pour mettre au point de nombreux nouveaux types de batteries qui se chargent plus rapidement, sont plus efficaces, plus légères, ont une densité de puissance plus élevée et retiennent la charge électrique plus longtemps.
Des nanotubes de carbone contenant de l’époxy sont utilisés pour fabriquer des pales d’éolienne plus longues, plus solides et plus légères que les autres pales afin d’augmenter la quantité d’électricité que les éoliennes peuvent produire.
Dans le domaine de la récupération d’énergie, les chercheurs mettent au point des panneaux électriques solaires à couche mince qui peuvent être montés sur des boîtiers d’ordinateur et des nanofils piézoélectriques souples tissés dans des vêtements pour produire de l’énergie utilisable en déplacement, de la lumière, de la friction ou de la chaleur corporelle pour alimenter des appareils électroniques mobiles. De même, diverses options fondées sur les nanosciences sont à l’étude pour convertir la chaleur perdue dans les ordinateurs, les automobiles, les maisons, les centrales électriques, etc. en énergie électrique utilisable.
Le nombre et les types d’applications des produits d’efficacité énergétique et d’économie d’énergie augmentent. En plus de celles mentionnées ci-dessus, la nanotechnologie permet d’obtenir des systèmes d’éclairage plus efficaces, des matériaux de châssis de véhicules plus légers et plus résistants pour le secteur des transports, une consommation d’énergie réduite dans l’électronique de pointe et des revêtements intelligents sensibles à la lumière pour le verre.

Remèdes environnementaux

En plus des façons dont la nanotechnologie peut aider à améliorer l’efficacité énergétique (voir la section ci-dessus), il existe de nombreuses façons dont elle peut aider à détecter et à nettoyer les contaminants environnementaux :
La nanotechnologie pourrait aider à répondre aux besoins en eau potable propre et abordable grâce à la détection et au traitement rapides et peu coûteux des impuretés dans l’eau.
Les ingénieurs ont mis au point une membrane à couche mince contenant des nanopores pour un dessalement efficace sur le plan énergétique. Cette membrane en bisulfure de molybdène (MoS2) filtre de deux à cinq fois plus d’eau que les filtres classiques actuels.
Des nanoparticules sont mises au point pour nettoyer les polluants de l’eau industrielle dans les eaux souterraines par des réactions chimiques qui rendent ces polluants inoffensifs. Ce processus coûterait moins cher que les méthodes qui nécessitent le pompage de l’eau hors du sol pour le traitement.
Les chercheurs ont mis au point un “essuie-tout” nanofibre tissé à partir de fils minuscules d’oxyde de potassium et de manganèse qui peut absorber 20 fois son poids en huile pour des applications de nettoyage. Les chercheurs ont également placé des nanoparticules hydrofuges magnétiques dans les déversements d’hydrocarbures et utilisé des aimants pour retirer mécaniquement l’huile de l’eau.
De nombreux filtres d’habitacle d’avion et d’autres types de filtres à air sont des filtres basés sur la nanotechnologie qui permettent une “filtration mécanique”, dans laquelle le matériau fibreux crée des pores à l’échelle nanométrique qui piègent des particules plus grandes que la taille des pores. Les filtres peuvent également contenir des couches de charbon de bois qui éliminent les odeurs.
Les capteurs et solutions basés sur la nanotechnologie sont maintenant capables de détecter et d’identifier des agents chimiques ou biologiques dans l’air et le sol avec une sensibilité beaucoup plus élevée que jamais auparavant. Les chercheurs étudient des particules telles que des monocouches auto-assemblées sur des supports mésoporeux (SAMMS™), des dendrimères et des nanotubes de carbone afin de déterminer comment appliquer leurs propriétés chimiques et physiques uniques pour divers types de restauration de sites toxiques. Un autre capteur a été développé par la NASA comme une extension de téléphone intelligent que les pompiers peuvent utiliser pour surveiller la qualité de l’air autour des incendies.

Les modes de transport de demain

La nanotechnologie offre la promesse de développer des matériaux multifonctionnels qui contribueront à construire et à entretenir des véhicules, des aéronefs, des engins spatiaux et des navires plus légers, plus sûrs, plus intelligents et plus efficaces. En outre, la nanotechnologie offre divers moyens d’améliorer l’infrastructure des transports :
Comme nous l’avons vu plus haut, les matériaux nanotechnologiques utilisés dans les produits automobiles comprennent les pièces structurales en nanocomposites polymères, les systèmes de batteries rechargeables à haute puissance, les matériaux thermoélectriques pour le contrôle de la température, les pneus à faible résistance au roulement, les capteurs à haut rendement et à faible coût et l’électronique, les panneaux solaires à couche mince, les additifs et pots catalytiques pour un échappement plus propre et une portée accrue. La nano-ingénierie de l’aluminium, de l’acier, de l’asphalte, du béton et d’autres matériaux cimentaires, ainsi que de leurs formes recyclées, offre de grandes promesses en termes d’amélioration de la performance, de la résilience et de la longévité des composantes des infrastructures routières et de transport tout en réduisant leur coût du cycle de vie. Les nouveaux systèmes peuvent incorporer des capacités novatrices dans les matériaux d’infrastructure traditionnels, comme les structures autoréparables ou la capacité de produire ou de transporter de l’énergie.
Les capteurs et dispositifs à l’échelle nanométrique peuvent assurer une surveillance continue et rentable de l’intégrité structurale et du rendement des ponts, tunnels, rails, structures de stationnement et chaussées au fil du temps. Les capteurs à l’échelle nanométrique, les dispositifs de communication et d’autres innovations rendues possibles par la nanoélectronique peuvent également soutenir une infrastructure de transport améliorée qui peut communiquer avec les systèmes embarqués pour aider les conducteurs à maintenir la position de la voie, éviter les collisions, ajuster les itinéraires pour éviter la congestion et améliorer les interfaces des conducteurs avec l’électronique embarquée.
Les avantages ” changeants ” de l’utilisation de matériaux légers et très résistants, compatibles avec la nanotechnologie, s’appliqueraient à presque tous les véhicules de transport. Par exemple, on estime qu’une réduction de 20 p. 100 de la masse d’un avion à réaction commercial pourrait réduire sa consommation de carburant d’au plus 15 p. 100. Une analyse préliminaire effectuée pour la NASA a indiqué que le développement et l’utilisation de nanomatériaux avancés deux fois plus résistants que les composites classiques réduiraient le poids brut d’un lanceur de 63 %. Cela permettrait non seulement d’économiser une quantité importante d’énergie nécessaire au lancement d’un engin spatial en orbite, mais aussi de mettre au point des lanceurs monoétage en orbite, ce qui réduirait encore les coûts de lancement, augmenterait la fiabilité des missions et ouvrirait la voie à d’autres concepts de propulsion.