Les particules à l’échelle nanométrique ne sont nouvelles ni dans la nature ni dans la science. Cependant, les progrès récents dans des domaines comme la microscopie ont donné aux scientifiques de nouveaux outils pour comprendre et tirer parti des phénomènes qui se produisent naturellement lorsque la matière est organisée à l’échelle nanométrique. Essentiellement, ces phénomènes sont basés sur des “effets quantiques” et d’autres effets physiques simples tels que l’expansion de la surface (voir plus loin). De plus, le fait que la majorité des processus biologiques se déroulent à l’échelle nanométrique donne aux scientifiques des modèles et des modèles pour imaginer et construire de nouveaux processus qui peuvent améliorer leur travail en médecine, en imagerie, en informatique, en impression, en catalyse chimique, en synthèse des matériaux et dans de nombreux autres domaines. La nanotechnologie ne consiste pas simplement à travailler à des dimensions de plus en plus petites ; le travail à l’échelle nanométrique permet plutôt aux scientifiques d’utiliser les propriétés physiques, chimiques, mécaniques et optiques uniques des matériaux qui se trouvent naturellement à cette échelle.
Échelle à laquelle les effets quantiques dominent les propriétés des matériaux
Lorsque l’on compare la taille des particules de matière solide à l’échelle visible à ce que l’on peut voir dans un microscope optique ordinaire, il y a peu de différence dans les propriétés des particules. Mais lorsque les particules sont créées avec des dimensions d’environ 1-100 nanomètres (où les particules ne peuvent être “vues” qu’avec de puissants microscopes spécialisés), les propriétés des matériaux changent considérablement par rapport à celles des matériaux à plus grande échelle. C’est l’échelle de taille où les effets dits quantiques régissent le comportement et les propriétés des particules. Les propriétés des matériaux dépendent de la taille dans cette gamme d’échelle. Ainsi, lorsque la taille des particules est conçue pour être nanométrique, les propriétés telles que le point de fusion, la fluorescence, la conductivité électrique, la perméabilité magnétique et la réactivité chimique changent en fonction de la taille des particules.
L’or à l’échelle nanométrique illustre les propriétés uniques qui existent à l’échelle nanométrique. Les particules d’or à l’échelle nanométrique ne sont pas de la couleur jaune que nous connaissons ; l’or à l’échelle nanométrique peut paraître rouge ou violet. À l’échelle nanométrique, le mouvement des électrons de l’or est confiné. Comme ce mouvement est limité, les nanoparticules d’or réagissent différemment avec la lumière par rapport aux particules d’or à grande échelle. Leur taille et leurs propriétés optiques peuvent être mises en pratique : des particules d’or à l’échelle nanométrique s’accumulent sélectivement dans les tumeurs, où elles permettent à la fois une imagerie précise et une destruction laser ciblée de la tumeur par des moyens qui évitent de nuire aux cellules saines.
Un résultat fascinant et puissant des effets quantiques de l’échelle nanométrique est le concept d'”accordabilité” des propriétés. C’est-à-dire qu’en changeant la taille de la particule, un scientifique peut littéralement peaufiner une propriété matérielle d’intérêt (p. ex. en changeant la couleur de fluorescence ; à son tour, la couleur de fluorescence d’une particule peut être utilisée pour identifier la particule, et divers matériaux peuvent être ” marqués ” avec des marqueurs fluorescents pour divers usages). Un autre effet quantique puissant de l’échelle nanométrique est connu sous le nom de “tunneling”, un phénomène qui permet au microscope à effet tunnel à balayage et à la mémoire flash de calculer.
Échelle dont une grande partie est d’ordre biologique
Au cours des millénaires, la nature a perfectionné l’art de la biologie à l’échelle nanométrique. Bon nombre des mécanismes internes des cellules se produisent naturellement à l’échelle nanométrique. Par exemple, l’hémoglobine, la protéine qui transporte l’oxygène dans l’organisme, a un diamètre de 5,5 nanomètres. Un brin d’ADN, l’un des éléments constitutifs de la vie humaine, ne mesure qu’environ 2 nanomètres de diamètre.
S’appuyant sur la nano-échelle naturelle de la biologie, de nombreux chercheurs médicaux travaillent à la conception d’outils, de traitements et de thérapies plus précis et personnalisés que les traitements conventionnels, qui peuvent être appliqués plus tôt dans l’évolution d’une maladie et entraîner moins d’effets secondaires indésirables. Un exemple médical de la nanotechnologie est le test du bio-bar code, une méthode relativement peu coûteuse de détection de biomarqueurs spécifiques à une maladie dans le sang, même lorsqu’il y en a très peu dans un échantillon. Le procédé de base, qui consiste à attacher des particules de “reconnaissance” et des “amplificateurs” d’ADN à des nanoparticules d’or, a été initialement démontré à l’Université Northwestern pour un biomarqueur du cancer de la prostate après prostatectomie. Le test du bio-code barre s’est avéré beaucoup plus sensible que les tests conventionnels pour les mêmes biomarqueurs cibles, et il peut être adapté pour détecter presque toutes les cibles moléculaires.
La compréhension croissante des structures biomoléculaires à l’échelle nanométrique a des répercussions dans d’autres domaines que la médecine. Certains scientifiques cherchent des moyens d’utiliser les principes biologiques à l’échelle nanométrique de l’auto-assemblage moléculaire, de l’auto-organisation et de la mécanique quantique pour créer de nouvelles plateformes informatiques. D’autres chercheurs ont découvert qu’en photosynthèse, l’énergie que les plantes récoltent de la lumière du soleil est presque instantanément transférée aux “centres de réaction” des plantes par des processus de mécanique quantique avec une efficacité proche de 100% (peu d’énergie perdue en chaleur). Ils étudient la photosynthèse comme modèle pour les nanosystèmes “d’énergie verte”.
Echelle à laquelle les surfaces et les interfaces jouent un rôle important dans les propriétés et les interactions des matériaux
L’un des avantages d’une plus grande surface spécifique – et d’une meilleure réactivité – dans les matériaux nanostructurés est qu’ils ont contribué à créer de meilleurs catalyseurs. Par conséquent, la catalyse par des matériaux nanostructurés manufacturés a déjà un impact sur environ un tiers des énormes marchés américains et mondiaux des catalyseurs, affectant des milliards de dollars de revenus dans les industries pétrolière et chimique.iii Un exemple quotidien de catalyse est le convertisseur catalytique dans une voiture, qui réduit la toxicité des fumées du moteur. Les batteries, piles à combustible et catalyseurs nanotechnologiques peuvent potentiellement utiliser une réactivité accrue à l’échelle nanométrique pour produire des modes de production et de stockage de l’énergie plus propres, plus sûrs et plus abordables.
Les membranes et matériaux nanostructurés de grande surface sont également des candidats idéaux pour le traitement et le dessalement de l’eau (par exemple, voir “Auto-assemblé, Nanostructured Carbon for Energy Storage and Water Treatment” dans notre base de données, NNI Accomplishments Archive), parmi d’autres utilisations. Il aide également à la “fonctionnalisation” des surfaces de matériaux à l’échelle nanométrique (en ajoutant des particules à des fins spécifiques), pour des applications allant de l’administration de médicaments à l’isolation des vêtements.