Les nanotechnologies existent depuis un certain temps déjà. Elles ont pris de nombreuses formes au fil des ans, depuis les techniques d’application de matériaux bruts à l’échelle nanométrique (par exemple la lithographie) jusqu’à la conception de matériaux hautement fonctionnels de 100 nm ou moins, voire de couches de matériaux d’un atome d’épaisseur. C’est donc un vaste domaine que celui des nanotechnologies. Du fait qu’il comprend des aspects de tous les domaines scientifiques traditionnels (biologie, chimie, physique et ingénierie), le champ d’application de la nanotechnologie et des nanomatériaux ne cesse de s’étendre.

Cela explique entre autres pourquoi, bien que les nanotechnologies ne soient pas une invention toute récente, l’on continue à lui trouver toute une variété de domaines d’application précis, certaines applications étant encore à un stade relativement précoce par rapport à d’autres. Cependant, même dans les domaines où l’application de ces technologies n’a pas encore atteint un certain niveau de maturité, de nombreuses recherches sont menées afin de déterminer comment différentes applications et divers secteurs industriels ou commerciaux peuvent bénéficier des nanotechnologies. L’un de ces nouveaux domaines d’application assez méconnu du grand public est celui de la nano-architectonique.

Qu’est-ce que la nano-architectonique ?

La nano-architectonique est un domaine de la nanotechnologie où il s’agit de manipuler ou de personnaliser des matériaux afin de les adapter au mieux à une application ou un système donné. Même si de nombreux domaines d’application s’appuient déjà sur des méthodes de manipulation atomique et moléculaire et des concepts relevant de la nano-architectonique sont depuis longtemps en usage dans les nanotechnologies ainsi que dans d’autres domaines scientifiques connexes, ce n’est que récemment que la nano-architectonique a gagné le droit d’être considérée comme un domaine défini à part entière, avec des principes établissant l’usage de techniques spécifiques.

Pour l’essentiel, la nano-architectonique jette un pont méthodologique entre les méthodes de synthèse de nanomatériaux et les techniques de manipulation de la matière à l’échelle atomique utilisées pour modifier la nature de matériaux existants. Elle permet d’agencer les atomes et les molécules d’une certaine manière en fonction des besoins de l’application. On peut ainsi obtenir des matériaux qui n’existent pas à l’état naturel, c’est-à-dire des matériaux entièrement fabriqués par l’homme. En s’appuyant sur différentes méthodes de fabrication et de manipulation atomique, la nano-architectonique permet de définir les fonctions des matériaux, de sorte que les scientifiques puissent définir la meilleure méthode pour manipuler un tel matériau.

La nano-architectonique est un domaine interdisciplinaire qui allie aussi bien divers aspects de la synthèse chimique par voie humide (chimie inorganique, organique et supramoléculaire) que la science des matériaux et l’ingénierie de fabrication, et ce, dans le but de créer des matériaux mieux adaptés à l’application à laquelle ils sont destinés que tout matériau produit selon des méthodes de synthèse classiques.

Du fait qu’elle combine création et manipulation de matériaux, la nano-architectonique est une discipline où de nombreuses méthodes ont cours. Les développeurs peuvent faire appel à différentes techniques pour créer des matériaux, par exemple l’autoassemblage, mais c’est l’aspect lié à la manipulation atomique de ces techniques qui les font entrer dans la nano-architectonique. Dans le cas contraire, il ne s’agirait que de méthodes de synthèse standard.

Les développeurs ont ainsi recours à toute une série de techniques pour manipuler les atomes pendant la synthèse ou la post-fabrication. Cela comprend les champs externes (magnétiques, électriques, etc.), les techniques de microscopie à sonde (telles que la microscopie à effet tunnel ou la microscopie à force atomique), la croissance par autoassemblage d’un matériau ou encore la manipulation chimique.

Ces manipulations résultent généralement en un matériau modifié – sensiblement de la même manière que le dépôt d’adatomes permet de doper les caractéristiques d’un semi-conducteur. Les structures matérielles créées en combinant ces différents processus dans une stratégie d’ingénierie de fabrication semblent beaucoup plus obéir à une hiérarchisation que les structures créées suivant d’autres techniques, ce qui démontre qu’il est possible d’obtenir des structures plus complexes grâce à la combinaison de méthodes de fabrication. Dans le cas des matériaux avancés, les particularités présentes aux niveaux atomique et moléculaire déterminent les caractéristiques fonctionnelles et actives du matériau – en particulier ceux utilisés dans les appareils électroniques. Ainsi, une connaissance détaillée du processus de fabrication permet de créer des caractéristiques actives spécifiques et ouvre la voie à de nouveaux matériaux destinés à des technologies de pointe.

Jusqu’à présent, la majorité des matériaux et des systèmes issus des principes de la nano-architectonique ont été utilisés pour des applications médicales et biologiques, car de nombreux systèmes sont, par nature, déjà produits par autoassemblage et il est beaucoup plus facile de manipuler la structure atomique de la plupart des composants organiques et biologiques que celle de matériaux inorganiques. Or, bien qu’il y ait des exceptions à cela, les applications hi-tech comme que le stockage d’énergie, l’informatique ou les capteurs reposent principalement sur l’utilisation de matériaux inorganiques, qu’il s’agisse ou non de nanomatériaux. Le silicium, l’ITO, les électrodes de lithium, les matériaux piézoélectriques et les semi-conducteurs GaAs, pour n’en citer que quelques-uns, sont tous des matériaux inorganiques que l’on retrouve couramment dans les technologies de pointe. Il y a donc beaucoup de recherche dans les domaines biologiques, mais un certain intérêt se développe également dans des domaines technologiques plus avancés.

Vers des appareils plus hi-tech

La nano-architectonique a jusqu’à présent beaucoup été utilisée dans des applications médicales ou de biologie. Comparativement, elle est utilisée de façon bien plus confidentielle dans le domaine de la hi-tech. Il existe malgré tout quelques exemples où ses principes ont été appliqués à des dispositifs électroniques.

L’application de méthodes relevant de la nano-architectonique serait par exemple du plus grand intérêt pour créer des dispositifs de stockage de l’énergie plus efficaces, en particulier des supercondensateurs. Les supercondensateurs s’appuient sur une grande surface active pour stocker la charge. Les méthodes d’analyse et de manipulation issues de la nano-architectonique participent à la conception stratégique de matériaux en carbone poreux dont ont peut maîtriser la taille des pores et la distribution des tailles de pores. Le principe est ici d’améliorer les performances énergétiques des supercondensateurs de façon à ce qu’ils puissent stocker et libérer plus de charge. En effet, ces méthodes d’optimisation peuvent contribuer à créer une surface plus efficace en termes de propriétés texturales (rugosité, douceur, etc.) afin d’affiner les propriétés électroniques des supercondensateurs avancés.

La nano-architectonique s’est également avérée très utile dans le domaine du développement de nanofils plus fonctionnels. Les nanofils font timidement leur entrée sur le marché commercial, mais on pourra bientôt en voir quelques applications dans un certain nombre d’appareils miniatures et flexibles. En préférant les méthodes de fabrication de la nano-architectonique aux méthodes standard, les scientifiques et les ingénieurs ont la possibilité de mesurer la conduction électrique dans des matériaux unidimensionnels pour déterminer s’ils conviennent à la création de nanofils. Cette approche pourrait permettre de créer des nanofils plus efficaces à l’avenir en trouvant le matériau de base qui convient le mieux à tel ou tel dispositif et en modifiant ses propriétés pour qu’il s’adapte parfaitement à l’application à laquelle on le destine. Ainsi, la nano-architectonique pourrait s’avérer essentielle pour produire des circuits nanométriques à plus grande échelle que ce qu’il est actuellement possible de faire.

Plusieurs semi-conducteurs présentent des propriétés bénéfiques, mais il faudrait pouvoir mieux adapter la bande interdite à un appareil spécifique. Il existe également des matériaux entièrement conducteurs, comme le graphène, qui présentent beaucoup de potentiel dans certaines applications, mais que l’absence de bande interdite rend inadaptés à cet usage. Le dopage est une méthode couramment utilisée, mais différents matériaux semi-conducteurs peuvent désormais être fabriqués selon les principes de la nano-architectonique en utilisant pour cela des méthodes de modification de la bande interdite.

En modifiant la bande interdite des matériaux à l’aide de méthodes issues de la nano-architectonique (en général, en créant des nanostructures périodiques dans le matériau), les développeurs acquièrent un niveau de maîtrise bien plus élevé des propriétés électroniques du matériau. En plus d’agir directement sur les matériaux des semi-conducteurs, ces méthodes permettent en outre d’améliorer la conception et l’efficacité des hétérojonctions entre les matériaux semi-conducteurs et les couches de nanomatériaux. Cela s’avère particulièrement intéressant dans l’optique de créer des interfaces plus petites pour l’électronique miniaturisée. Ainsi, la possibilité de rendre les processus d’optimisation plus efficaces grâce aux nanomatériaux pourrait permettre de créer des appareils de pointe pour les technologies du futur.

Conclusion

La nano-architectonique est un processus technologique combinant des méthodes de fabrication de matériaux et de manipulation atomique pour créer des caractéristiques fonctionnelles et actives à l’échelle nanométrique dans des matériaux, et ce, afin que leurs propriétés et caractéristiques puissent être bien mieux adaptées à une application que les méthodes de fabrication seules. Le principe de la nano-architectonique consiste à agencer les atomes et les molécules d’une certaine manière en fonction des besoins de l’application. On peut ainsi obtenir des matériaux qui n’existent pas à l’état naturel, c’est-à-dire des matériaux entièrement fabriqués par l’homme. La capacité d’analyser, de créer et de manipuler des atomes pour fabriquer des matériaux entièrement nouveaux adaptés à leur application pourrait aider à réaliser à l’avenir des systèmes électroniques beaucoup plus efficaces et plus petits dans divers domaines technologiques. Ces outils sont déjà utilisés dans de nombreux domaines de haute technologie, mais cette approche à multiples facettes pourrait être la clé qui ouvre la porte à une plus grande utilisation de matériaux nanostructurés dans des dispositifs plus hi-tech.

À propos de l’auteur

Liam Critchley est un écrivain, journaliste et communicateur qui se spécialise dans la chimie et la nanotechnologie et dans la façon dont les principes fondamentaux au niveau moléculaire peuvent être appliqués à de nombreux domaines d'application différents. Liam est peut-être plus connu pour son approche informative et son explication de sujets scientifiques complexes aux scientifiques et aux non-scientifiques. Liam a publié plus de 350 articles dans divers domaines scientifiques et industries qui recoupent à la fois la chimie et la nanotechnologie.

Liam est Senior Science Communications Officer à la Nanotechnology Industries Association (NIA) en Europe et a passé les dernières années à écrire pour des entreprises, des associations et des sites Web de médias à travers le monde. Avant de devenir écrivain, Liam a obtenu une maîtrise en chimie avec la nanotechnologie et le génie chimique.

En plus d’écrire, Liam est également membre du conseil consultatif de la National Graphene Association (NGA) aux États-Unis, de l’organisation mondiale Nanotechnology World Network (NWN) et membre du conseil d’administration de GlamSci, une organisation caritative scientifique basée au Royaume-Uni. Liam est également membre de la British Society for Nanomedicine (BSNM) et de l’International Association of Advanced Materials (IAAM), en plus d’être pair-examinateur pour plusieurs revues universitaires.