Les nanotechnologies changent d’échelle

Emmanuel Hassan et Jerry Sheehan, Direction de la science, de la technologie et de l’industrie de l’OCDE
Direction de la science, de la technologie et de l'industrie

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Imaginez un circuit intégré si petit et si précis qu’il soit en mesure de reproduire toutes les fonctions d’une cellule vivante. Doux rêve, diriez-vous ? Peut-être, mais tel est l’objectif des nanotechnologies – qui pose, tout de même, des défis de taille.

Dans de nombreux pays, les nanotechnologies – la science du petit – deviennent une priorité importante de l’action publique. Elles désignent un ensemble de nouvelles technologies dont l’objet est de manipuler des atomes et des molécules pour créer des produits et des processus nouveaux tels que des ordinateurs tenant sur une tête d’épingle ou des structures entièrement construites atome après atome. Lorsqu’on s’intéresse à des matériaux, des systèmes et des instruments qui concernent de la matière à l’échelle nanométrique, c’est-à-dire au milliardième de mètre (soit 1/80 000ème de l’épaisseur d’un cheveu humain), ce sont des lois de la physique radicalement différentes, fondées sur la mécanique quantique, qui entrent en jeu.À cette échelle, les caractéristiques des matériaux, et en particulier leur couleur, leur force, leur conductivité et leur réactivité, changent de manière substantielle. Par exemple, un matériau qui est rouge ou flexible à l’échelle métrique peut être vert ou plus résistant que l’acier à l’échelle nanométrique. Pour les scientifiques spécialisés en nanotechnologies, le défi, colossal, consiste donc à comprendre comment manipuler des atomes et les combiner de manière originale et utile pour produire des structures améliorées ou tout à fait novatrices, en exploitant les nouvelles propriétés de la matière à l’échelle nanométrique.Au-delà même de l’intérêt considérable et des investissements privés croissants que continuent de susciter les nanotechnologies, plus de 30 pays ont lancé des programmes publics de recherche et développement (R&D) dans ce domaine. De telles initiatives contribuent indéniablement à accroître les ressources disponibles pour la recherche nanotechnologique. Mais suffisent-elles à garantir l’exploitation de la totalité du potentiel social et économique des nanotechnologies ?À l’évidence, les nanotechnologies devraient, ces prochaines années, avoir des répercussions économiques majeures. Dans le secteur informatique, elles pourraient contribuer à miniaturiser davantage les dispositifs de logique et de mémoire, et à stimuler les capacités de traitement et de stockage des données bien au-delà des limites fondamentales des technologies aujourd’hui en vigueur. La nanoélectronique, qui repose sur l’exploitation d’effets quantiques se produisant à des échelles très petites, pourrait fournir un moyen de dépasser ces limites en autorisant des calculs basés sur des électrons individuels ou des brins d’ADN. Les chercheurs travaillent déjà sur des dispositifs de mémoire dont la capacité atteint environ 40 fois celle des disques durs actuels.Dans le domaine des matériaux, les nanotechnologies peuvent permettre davantage de manipulations de propriétés telles que la résistance chimique, le poids ou la densité. Cela ouvre la voie à la mise au point de nouveaux produits pour des secteurs, tels que l’aérospatial, la biomédecine, la construction et les transports. Aujourd’hui, les matériaux les plus prometteurs pour des applications nanométriques sont notamment les nitrures, les oxydes, les alliages, les métaux, les polymères organiques et les composites. Dans les domaines de la santé et des sciences du vivant, les nanotechnologies pourraient résoudre des questions fondamentales liées au fonctionnement du système immunitaire en permettant aux gènes de mieux le contrôler.Associées aux biotechnologies, les nanotechnologies accéléreront les avancées de la génomique, de la chimie combinatoire, du séquençage des gènes et de la bio-informatique. Elles pourraient en outre jouer un rôle important dans la génération de ressources énergétiques renouvelables, essentiellement par l’amélioration de l’efficacité de la technologie des cellules photovoltaïques et la réduction de ses coûts dans les deux domaines principaux que constituent les cellules solaires à puits quantiques et les dispositifs à nanocristaux sensibilisés par des colorants.Le marché s’intéresse aux nanotechnologies, mais celles-ci n’en sont qu’à leurs balbutiements, et leurs applications les plus impressionnantes ne verront le jour que dans quelques années. Le monde industriel et les pouvoirs publics restent attentifs. Les pouvoirs publics allemands et la Commission européenne ont respectivement estimé que le marché mondial des nanotechnologies en 2001 atteignait entre US$20 milliards et US$40 milliards. Et ce marché va certainement croître : la NanoBusiness Alliance et la National Science Foundation (NSF) américaines ont respectivement indiqué en 2001 que le marché mondial des nanotechnologies pourrait atteindre US$700 milliards en 2008 et dépasser US$1 000 milliards annuels en 2015.Si l’on en croit les données disponibles, les financements publics de la R&D portant sur les nanotechnologies ont quintuplé entre 1997 et 2002, passant d’environ US$400 millions à plus de US$2 milliards (voir le graphique). Dans le secteur privé, de nombreuses grandes multinationales (IBM, Dow Chemicals, L’Oréal, Hitachi et Unilever notamment) ont lancé des projets de recherche nanotechnologique, et nombre de start-up ont vu le jour. Quoique encore modeste, le capital-risque investi dans des entreprises de nanotechnologies semble grossir malgré les restrictions de dépenses d’autres domaines. La connaissance s’étoffe rapidement et le nombre de publications scientifiques consacrées aux nanotechnologies a explosé, passant de 1 000 en 1990 à plus de 12 000 en 1998. Quant au nombre de demandes de dépôt de brevets auprès de l’Office européen des brevets, il a triplé, passant de 100 à 300 demandes annuelles, au cours de la même période. Cette tendance en matière de brevets est un signe patent des atouts économiques potentiels de la recherche nanotechnologique.Les nanotechnologies nécessitent une recherche abondante et dépendent des financements de R&D tant publics que privés. Pour être efficace, ce financement doit favoriser les échanges d’informations scientifiques et technologiques, tout en développant une base de ressources humaines très qualifiées. Il doit aussi être utilisé pour conjuguer les savoirs scientifiques pluridisciplinaires des universités et des laboratoires publics, ce qui constitue un défi pour les établissements moins modernes. Plutôt que de permettre à ce genre de problème de ralentir la R&D, on met en place de nouveaux centres de recherche pluridisciplinaires, comme ceux de la National Nanotechnology Initiative aux États-Unis et les six Centres virtuels de compétences nanotechnologiques créés par le Ministère fédéral allemand de l’éducation et de la recherche.Les partenariats public/privé jouent aussi un rôle important dans les progrès des nanotechnologies en mariant les financements et les capacités de recherche du secteur public avec celles du secteur privé. Par exemple, le CNSI (California NanoSystems Institute), créé conjointement par l’University of California at Los Angeles et l’University of California at Santa Barbara en 2000, a encouragé les alliances entre le secteur public et des entreprises privées telles qu’IBM, Hewlett-Packard et de petites entreprises de biotechnologie pour stimuler les échanges de savoirs entre les différents acteurs du processus d’innovation.Toutes ces approches ont en commun d’axer leurs efforts de R&D sur une thématique scientifique et technologique qui dépasse souvent leurs domaines de compétence. Elles doivent leur succès à leur capacité d’exploiter les avancées dans différents domaines scientifiques et technologiques et à collaborer pour repousser les frontières scientifiques et technologiques. En fait, la collaboration entre les entreprises et les organismes publics de recherche est devenue essentielle pour les progrès de la recherche nanotechnologique ; elle bénéficie d’un soutien très large par le biais de programmes publics et ciblés de R&D tels que le Réseau de recherche en Micro et Nano Technologies (RMNT) français lancé conjointement par le Ministère de la recherche et de l’éducation et celui de l’économie, des finances et de l’industrie.Créé à Grenoble en 2001, le Pôle d’innovation en micro et nanotechnologies (MINATEC) vise à stimuler les usages industriels des nanotechnologies en reliant différents laboratoires nationaux de la région à des entreprises privées – par exemple STMicroelectronics – et à de grandes installations internationales de recherche, telles que l’European Synchrotron Radiation Facility, l’Institut Laue-Langevin, le Laboratoire européen de biologie moléculaire (EMBL) ou le Laboratoire des champs magnétiques intenses de Grenoble. Ce centre tire aussi parti du bassin d’emploi local (17 000 emplois dans la recherche scientifique et universitaire), des infrastructures d’enseignement (10 écoles d’ingénieurs et 53 000 étudiants), et de l’industrie microélectronique qui compte, dans la région, environ 3 000 chercheurs et 30 entreprises internationales. De son côté, le Japon, soucieux de stimuler les transferts de technologies dans le domaine, a créé un grand Consortium des nanotechnologies qui rassemble plus d’une centaine d’entreprises privées (dont par exemple Matsushita Electric, NEC ou Sumitomo Chemicals), des universités régionales (celles de Kyoto, d’Osaka et de Kobe), ainsi que différentes associations professionnelles et chambres de commerce de la région du Kansai. Les entreprises de nanotechnologie se concurrencent dans différents secteurs technologiques et commerciaux ; néanmoins, pour progresser et éviter des duplications inutiles de données, les chercheurs ont besoin d’échanger des informations scientifiques et technologiques de manière régulière et efficace. Une manière de donner accès au stock actuel de connaissances serait de créer un réservoir de données commun et d’y regrouper des articles publiés, des rapports, des exposés de conférence, des livres, des brevets, des bases de données, etc. Une infrastructure de ce type existe déjà pour la recherche en sciences de la vie et en biomédecine, avec des services tels que le système MEDLINE, piloté par la US National Library of Medicine. L’ Energy Technology Data Exchange en est un autre exemple.Peut-être les compétences constituent-elles l’élément le plus important, car les nanotechnologies, comme la plupart des technologies, dépendent largement de la disponibilité de travailleurs, d’innovateurs et de responsables très qualifiés. Les nanotechnologies s’appuient sur les connaissances et les techniques expérimentales qui ont été développées dans toute une série de domaines scientifiques : physique, chimie et biotechnologie, mais aussi ingénierie et étude des matériaux.Les chercheurs et chefs d’entreprise doivent saisir le progrès lorsqu’il se présente et détecter les possibilités commerciales nouvelles où qu’elles se trouvent. Aux États-Unis, en France et en Allemagne, de nouveaux programmes ou projets éducatifs ont été lancés, dont des bourses pour jeunes chercheurs, qui visent explicitement à atteindre ces objectifs. Ces initiatives pluridisciplinaires illustrent le rôle puissant que peuvent jouer les responsables de l’action publique pour faire progresser le développement de ces nouvelles technologies. Elles ont beau avoir une petite taille, les nanotechnologies recèlent un potentiel dont l’ampleur impose un sérieux coup de pouce public.Les nanotechnologies suscitent certaines critiques : certains s’inquiètent d’un effet de mode exagéré qui engendrerait des attentes peut-être hors de portée et, pendant ce temps, ponctionnerait les ressources d’autres domaines de recherche. On pourrait assister à des répercussions négatives sur les nanotechnologies s’il fallait plus de temps que prévu pour en retirer des résultats tangibles. D’autres s’interrogent sur les dangers potentiels sociaux, environnementaux et éthiques si des produits et des services nanotechnologiques sont répandus avant d’en connaître pleinement les conséquences – une situation similaire à celle qui entoure aujourd’hui les organismes génétiquement modifiés. L’introduction dans l’écosystème de nanomatériaux originaux, par exemple, pourrait avoir des conséquences inattendues sur la qualité de l’environnement (par exemple à cause de leur toxicité). La fusion de matériaux biologiques et non biologiques dans des produits et processus nouveaux pourrait avoir, sur la santé humaine et l’environnement, des répercussions inconnues ou inattendues. La perspective de « nanodispositifs autoassembleurs » rehausse encore ces préoccupations.À une époque d’anxiété vis-à-vis du terrorisme, l’idée de voir des nanotechnologies difficiles à détecter tomber dans de mauvaises mains pourrait inquiéter. Pourtant, il faut veiller à ne pas accorder trop d’importance à ces dangers. Toutes les technologies, anciennes et nouvelles, peuvent être utilisées à bon ou mauvais escient, et les nanotechnologies ne peuvent être « désinventées ».C’est la poursuite des recherches qui peut nous aider à mieux comprendre les effets positifs et négatifs des nanotechnologies. Il incombera ensuite aux responsables de l’action publique, comme toujours, de prévoir une réglementation contre les abus possibles et d’investir là où les deniers publics sont nécessaires.RéférencesConseil de la Science et de la Technologie (2001), Les nanotechnologies : la maîtrise de l’infiniment petit,ETC Group (2003), The Big Down: From Genomes To Atoms,Commission européenne (2002), Nanotechnology in the European Research Area,


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