L'année 2019 est celle du 150^e anniversaire de la publication par Mendeleiev de son tableau périodique des éléments. À cette occasion Mediachimie vous propose de découvrir le tableau périodique et ses éléments avec des quiz.

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La lithographie est la technologie au cœur de l'industrie des semi-conducteurs. L’amélioration des performances des dispositifs ainsi que le modèle économique de cette industrie reposent sur la miniaturisation des composants.

Jusqu’à aujourd’hui, cette réduction d'échelle a été obtenue par des améliorations continues de la lithographie optique, notamment l’augmentation de l'ouverture numérique, la diminution de la longueur d'onde et l’amélioration des outils de conception.

Cette stratégie reste dominante, comme en témoignent les énormes efforts déployés par l'industrie pour le développement de la lithographie EUV (13,5 nm de longueur d’onde exposition). Toutefois, face aux défis techniques liés au développement de sources lumineuses efficaces et stables et au développement de résines sensibles à cette longueur d’onde, la technologie EUV a été retardée.

Un saut technologique devient donc nécessaire et c’est dans ce contexte que s’inscrit le développement de la lithographie DSA. Il s’agit non plus d’imprimer un motif sur une résine photosensible mais de définir ce dernier dans la structure même de la résine. Le motif est maintenant contenu dans la bouteille. La composition du polymère définit le type de motifs (des lignes, des cylindres.), la longueur des chaines polymériques définit les dimensions critiques.

À travers l’exemple de la lithographie DSA, cet exposé illustre donc comment la structure nanométrique des polymères lorsqu’elle est bien contrôlée participe à la fabrication de nano-composants.

Cette conférence dans le domaine de la nanomédecine porte sur une nouvelle classe de nanoparticules hybrides organominérales. De type théranostiques, ces particules peuvent agir au niveau du diagnostique comme agent de contraste pour l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) et au niveau thérapeutique en délivrant localement de très fortes doses de tumeurs sous irradiation.

Après une dizaine d’années de recherches en laboratoires et développements précliniques, ces objets de moins de 5 nm, constituées d'un noyau de polysiloxane et entourées de chélates de gadolinium, sont maintenant synthétisés et sont la base des nanomédicaments en cours d’évaluation dans des études cliniques. Ces nanoparticules sont conçues pour être injectées par voie intraveineuse. Leurs efficacités reposent sur leur structuration nanométrique qui permet la combinaison de trois atouts cliniques essentiels : cibler, imager et traiter les tumeurs.

En infiltrant les nanoparticules au cœur des tumeurs, une nouvelle façon de traiter les patients est proposée en associant une radiothérapie plus précise guidée par l’IRM à une nano médecine radio sensibilisante.

L’objectif de ces médicaments est d’aider des millions de patients recevant une radiothérapie en améliorant son efficacité au cœur même des tumeurs, sans augmenter la dose reçue par les tissus sains environnants.

Les nanoparticules (NP) peuvent être présentes dans divers produits, qu’ils soient alimentaires, cosmétiques, pharmaceutiques ou textiles. Il est bien connu par exemple que les NP de dioxyde de titane sont des filtres anti UV très efficaces et sont donc fréquemment ajoutées dans les crèmes solaires. Ces NPs de TiO₂ peuvent également être présentes dans certaines denrées alimentaires en raison de leurs propriétés blanchissantes (additif E171). Un autre exemple en agro-alimentaire est la silice nanoparticulaire ajoutée pour améliorer la fluidité des aliments en poudre (additif E551). Certains produits de notre quotidien peuvent également contenir des NPs d’argent, notamment certains dispositifs médicaux (e.g. pansements) ou certains textiles anti-transpirants, pour leurs propriétés anti-microbiennes.

En Europe, dans un souci d'information des consommateurs, les aliments ou cosmétiques contenant des nanomatériaux manufacturés sont soumis à une obligation d’étiquetage. La caractérisation des nanomatériaux demeure dans ces échantillons un challenge analytique en raison des interactions des nanoparticules avec les constituants de matrices souvent très diverses, de la sensibilité requise pour les mesures et de la polydispersité en taille liée à l’état d’agrégation/agglomération/dissolution des particules à mesurer.

Cette présentation détaille de façon exhaustive les différentes méthodes qui existent pour la caractérisation des NP inorganiques. Les informations que chacune permet d’obtenir, leurs avantages et inconvénients ainsi que leur potentialité à l’analyse de routine sont discutés. Leur application à des produits de notre quotidien sont également présentée.

Après une introduction rapide aux concepts de nanomatériaux et nanotechnologies, cet exposé présente quelques exemples emblématiques des applications d’aujourd’hui et de la recherche en nanoscience qui permettra les innovations du futur.

Nanoparticules, couches minces sur surface, nanocomposites, nanodispositifs…, les nanomatériaux sont des objets fonctionnels de taille nanométrique ou des assemblages de briques élémentaires organisées à l’échelle nanométrique (1 nm = 10^-9 m = 0,000000001 m = 1/1000 μm). À cette échelle de taille, la matière peut présenter des propriétés différentes du matériau massif. Les propriétés de surface (et d’interface) sont exacerbées, des propriétés électroniques particulières (optiques, magnétiques, de conduction électrique) apparaissent.

Selon les fonctionnalités voulues, on peut soit maintenir les propriétés du massif (miniaturisation), soit utiliser les propriétés propres aux nano-objets pour imaginer de nouveaux dispositifs (quantum dots ou boîtes quantiques luminescentes, Qbits pour l’informatique quantique, transport électrique balistique par exemple). Ces propriétés peuvent être exploitées dans les nanotechnologies qui visent à concevoir et élaborer des dispositifs de plus en plus petits (intégrés) et adaptatifs. Ces dispositifs couvrent un champ très large et peuvent concerner aussi bien l’émergence d’une électronique rapide et basse énergie que des applications médicales, telles des plateformes « intelligentes » pour l’imagerie, le diagnostic ou la thérapie. La conception et la compréhension des nanomatériaux et nanodispositifs est aujourd’hui possible grâce un ensemble de techniques (microscopie électronique, microscopie à effet tunnel ou de force atomique, spectroscopie optique ultra-rapide…) qui permettent de sonder la matière avec une très grande résolution spatiale et temporelle.

Créée à partir d’une technologie développée par le CEA (pyrolyse laser), Nanomakers (NMKS) conçoit, produit (à Rambouillet, France) et commercialise en quantités industrielles des poudres nanométriques brevetées base silicium pour le doublement de la densité d’énergie spécifique des batteries et le renforcement mécanique disruptif des matériaux (alliages métalliques, élastomères).

Deux exemples d’application sont présentés :

1. Les batteries Li-ion et en particulier les anodes pour développer des batteries à haute densité d’énergie.
2. À partir d’une preuve de concept établie par l’UofWisconsin qui montre le doublement des performances mécaniques de l’aluminium par l’ajout de 1% de n-SiC, NMKS et ses partenaires ont lancé début 2018 un projet européen pour industrialiser cette innovation et fabriquer une poudre nano-composite pour la fabrication additive dans l’aérospatial afin d’alléger les pièces fabriquées.

La mise en œuvre de modèles toxicologiques expérimentaux standards, réalisés selon les recommandations des lignes directrices internationales, sans prendre en compte la spécificité des nanomatériaux, est régulièrement remise en cause quant à sa pertinence vis-à-vis de l’évaluation des dangers et in fine des risques de ces substances.

En effet, il existe de nombreuses sources de biais méthodologiques et autre interférence qui peuvent influer directement sur la nature des résultats d’une étude, à chaque étape de la mise en œuvre d’un protocole toxicologique expérimental : méthode de dispersion utilisée pour suspendre les nanoparticules, caractérisation physico-chimique, choix des systèmes d’essai, des niveaux de doses… ce qui pose finalement la question de l’interprétation des données de ces essais standards de toxicité.

En particulier, l’amélioration de la sensibilité et de la spécificité des tests de toxicité in vitro devrait être une priorité, afin de chercher à accroître leur prédictivité et d'éviter les essais in vivo inutiles. De façon générale, de fortes doses utilisées in vitro peuvent être suffisantes pour induire des effets pro-inflammatoires, cytotoxiques et même génotoxiques, alors que des doses plus faibles obtenus in vivo ne sont suffisantes que pour induire des défenses antioxydantes.

Il apparaît nécessaire d’apporter des modifications et/ou d’adapter les méthodologies afin d’améliorer leur applicabilité et leur fiabilité à la problématique de l’étude des nanomatériaux. Finalement, face à la grande variété de nanomatériaux et leur capacité à changer au cours de leur cycle de vie, le développement de nouveaux outils et de nouvelles approches (Grouping, Ranking, Safe(r)-by-design, Read-across…) est également indispensable pour une évaluation nanospécifique des risques.

Cet exposé très pédagogique et magnifiquement illustré montre sur quelques exemples tels que les insectes ou les micro-algues du plancton, comment, avec un matériau donné (carbonate, silice, chitine…), le vivant imagine des nanostructures originales permettant de répondre aux diverses exigences de la vie.

Les matériaux élaborés par le vivant présentent des caractéristiques remarquables particulièrement bien adaptées aux propriétés recherchées. Leur élaboration n’est pas évidente car ces biomatériaux doivent en général présenter simultanément plusieurs propriétés telles que la résistance mécanique, la légèreté, l’hydrophobie ou la couleur. Or ces propriétés ne sont pas toujours compatibles. Améliorer l’une d’entre elles se fait souvent au détriment des autres. La nature recherche l’efficacité plutôt que la perfection. Alors que nous cherchons à optimiser une certaine propriété, la nature choisit un compromis. Plutôt que de se focaliser sur une seule propriété, elle introduit une certaine marge d’imprécision de façon à ce que les différentes propriétés recherchées restent compatibles. Très économe en moyens, le vivant répond aux différentes exigences que lui impose son environnement en ornant ses matériaux de superbes nanostructures qui lui confèrent un ensemble de propriétés remarquables.

Le marché du semi-conducteur est tiré aujourd’hui par plusieurs applications dans des domaines très variés : les micro-processeurs, cœur de nos téléphones mobiles, l’intelligence nécessaire à la conduite des voitures autonomes et l’internet des objets qui va nous permettre d’améliorer notre confort de vie. En terme de dimensionnel, seules une petite poignée de sociétés non-européennes continuent la course de la réduction à la dimension. Mais en dehors de cette course effrénée aux petites dimensions, de nombreuses opportunités s’ouvrent dans d’autres directions comme le collage de deux fonctions ou deux puces l’une sur l’autre, les capteurs intelligents qui se développent très rapidement dans la domotique, ou encore les caméras embarquées.

L’objet de cette présentation est de donner des exemples de nouveaux matériaux qui accompagnent ces mutations. En effet, les matériaux appelés critiques par les autorités publiques françaises et européennes rencontrent des contraintes environnementales, et/ou contraintes éthiques et/ou des contraintes de coût. À titre d’exemple, les métaux issus de minerais dits de conflits (tantale, tungstène, or, étain, cobalt) font l’objet de vérifications poussées tout au long de la chaine d’approvisionnement et ce, jusqu’à la mine d’origine. De nouvelles règlementations imposent désormais à tous les acteurs de la filière d’approvisionnement des pratiques d’achat responsables qui ont vocation à être étendues progressivement à d’autres minerais et métaux. Les procédés visant à économiser, voire substituer ces matériaux critiques, peuvent permettre de transformer ces contraintes en opportunité, et favoriser l’émergence de nouvelles solutions technologiques où la chimie des procédés tient une part importante.