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.

Le contrôle de la taille à toutes les échelles est clé pour le développement et la maîtrise des performances dans les matériaux avancés. Plus particulièrement l’accès aux tailles sub-micrométriques, rendu possible par de nouvelles voies de synthèse développées dans les 30 dernières années a permis d’obtenir des matériaux complètement nouveaux, qui ont trouvé leurs applications dans de nombreux domaines.

L’exposé illustre des exemples dans les divers domaines, en prenant en compte les aspects liés à l’environnement que la manipulation de petites particules peut impliquer, en montrant l’impact d’une chimie responsable sur notre vie quotidienne.

Dans le domaine des matériaux de structure, le renfort des élastomères ou polymères par des charges comme la silice permet d’augmenter leur durée de vie, développer des performances mécaniques à des niveaux jamais atteints auparavant.

Les catalyseurs ont vu leur performance (activité, sélectivité) régulièrement augmenter avec la maîtrise de la taille des particules métalliques et de la structuration des supports, c’est particulièrement vrai dans le domaine de la post-combustion automobile.

Dans le domaine de la fabrication des semi-conducteurs, les procédés de polissage mettant en œuvre des suspensions colloïdales aqueuses de mieux en mieux contrôlées ont permis d’accompagner la miniaturisation des composants électroniques.

Le mot « progrès » est de moins en moins utilisé dans les discours publics. Il s’est comme recroquevillé derrière le concept d’innovation, qui est désormais à l’agenda de toutes les politiques de recherche. Pour ne prendre qu’un exemple, la Commission européenne s’est fixée en 2010 l’objectif de développer une « Union de l’innovation » à l’horizon 2020. Cette stratégie « Europe 2020 » prend la suite de la « stratégie de Lisbonne », promue en 2000, qui visait à faire de l’Union européenne la « première économie de la connaissance ».

Le document de référence commence par ces lignes : « La compétitivité, l’emploi et le niveau de vie du continent européen dépendent essentiellement de sa capacité à promouvoir l’innovation, qui est également le meilleur moyen dont nous disposions pour résoudre les principaux problèmes auxquels nous sommes confrontés et qui, chaque jour, se posent de manière plus aigüe, qu’il s’agisse du changement climatique, de la pénurie d’énergie et de la raréfaction des ressources, de la santé ou du vieillissement de la population ».

Les question posées sont donc les suivantes : cette façon de théoriser l’innovation rend-elle encore justice à l’idée de progrès ? Est-elle dans son prolongement ou bien la contredit-elle ? En quoi détermine-t-elle notre rapport aux risques ? Ces propos sont par des exemples empruntés à l’univers de la chimie et aux débats que cette activité suscite dans la société.

Après l’horloge astronomique en bronze d’Anticythère, l’horloge à calculer en bois de Blaise Pascal, les calculateurs à lampes type Lee de Forest, les processeurs micro- puis nanolithographiés à la surface d’un cristal de silicium, il est maintenant question de réduire en une seule molécule tout ou partie d’un calculateur. Molécule par molécule, les machineries mécaniques commencent aussi à être miniaturisées à l'extrême du monde matériel d’en bas.

 Ainsi, la première course internationale de molécule-voitures s’est déroulée à Toulouse les 28 et 29 avril 2017. Sont présentées les six équipes engagées dans cette course et leur molécule-voiture d’une longueur entre 0.5 nm et 2 nm, l’instrument de recherche - un microscope à effet tunnel à 4 pointes mis au point pour faire concourir différentes molécule-voitures sur une même surface - , les moyens de propulsion, les stratégies de course et le classement final . En conclusion est décrite l’organisation de la deuxième édition de cette course de molécule-voitures prévue en l’année 2021 et soutenue par le nouveau projet européen MEMO.

Les nanotechnologies possèdent de fortes potentialités pour l’administration ciblée de molécules actives ou d’agents de contraste. Dans la plupart des cas, ces systèmes sont constitués de polymères ou de lipides auto-assemblés biodégradables sachant que leurs produits de dégradation doivent être bien tolérés et facilement éliminés de l'organisme. Plus récemment, des particules inorganiques de faible diamètre se sont avérées intéressantes notamment en imagerie ce qui a provoqué une expansion importante de la recherche dans ce domaine que ce soit au niveau académique ou industriel. Pour un médicament nanoparticulaire, la réglementation est a priori celle de tous les autres médicaments. Il existe cependant un certain nombre de recommandations émises par l’ANSM (Agence nationale de sécurité du médicament et des produits de santé) ou l’EMEA (European medicines agency) qui seront discutées au cours de l’exposé.

Ces recommandations s’appuient sur les connaissances acquises au cours des vingt dernières années concernant le devenir des médicaments nanoparticulaires après administration à l’homme ou l’animal. De nombreux paramètres ont été identifiés pour moduler ce devenir. Il s’agit essentiellement de la taille, de la forme, de la chimie et des propriétés de surface. La plupart de leurs applications concernent la délivrance de molécules actives dans le cancer ou l’inflammation, deux pathologies dans lesquelles les vaisseaux sont perméables aux particules de faible diamètre. Cependant, ce simple concept est insuffisant pour permettre une biodistribution optimale pour des nanomédicaments plus efficaces car la pénétration des particules et leur diffusion dans le tissu interstitiel sont aussi des phénomènes complexes pas tout à fait élucidés et qui dépendent fortement de la nature des particules administrées. Il a aussi été montré qu'une meilleure connaissance des propriétés des nanotechnologies et de leur biodistribution permettait de prédire les tests toxicologiques qui doivent être spécifiques aux formes nanoparticulaires.

La toxoplasmose, maladie causée par le parasite Toxoplasma gondii, peut infecter de nombreuses espèces animales dont l’Homme. Chez l’homme en bonne santé, cette infection qui touche 1/3 de la population mondiale semble asymptomatique et des kystes musculaires et cérébraux sont formés. Cette infection survient lors de la consommation d’aliments souillés : des légumes mal lavés ou de la viande mal cuite contenant elle-même des kystes. Lorsque l’infection survient pendant la gestation, des avortements spontanés sont observés ainsi que chez les enfants des malformations cérébrales, des rétinopathies et des handicaps moteurs, avec des implications sociales, médicales et financières lourdes…

Au niveau agro-alimentaire, les avortements spontanés dus à l’infection se traduisent par des pertes économiques importantes, liées à l’avortement d’animaux infectés pendant la gestation et également la production de viande contaminante pour les consommateurs. Cette maladie touche également les animaux de zoo avec des mortalités dramatiques pour des primates et de très nombreuses espèces.

À ce jour, chez l’homme aucun traitement fiable ni vaccin n’existe. Une approche vaccinale mimant l’infection parasitaire sans en avoir les inconvénients a été développée qui utilise des nanoparticules biosourcées, non toxiques, sans adjuvant. Elles sont composées d’amidon et de lipides et produites selon les règles de la chimie verte (pas de produits dangereux pour l’environnement, pas de solvants organiques…). Elles sont chargées avec un broyat du parasite et administrées par un spray nasal déclenchant ainsi la réponse immunitaire protectrice. Les nanoparticules servant de transporteurs ressortent des cellules et sont éliminées par le système digestif. Cette approche innovante est une première mondiale, qui a protégé à 100% des souris et des brebis, sans formation de kyste ni avortement. Elle est actuellement en essai chez des primates en partenariat avec les zoos de France avec des résultats qui prennent la même voie.

L’objectif de cette présentation est de mettre en lumière les points à considérer pour définir la qualité des nanomédicaments de la recherche jusqu’à la preuve de concept chez l’homme. Cet exercice s’appuie en premier lieu sur l’expérience acquise grâce aux nanmédicaments commercialisés ou en développement clnique, ainsi que sur les documents réglementaires disponibles les concernant.

Sont distinguées les applications liées à la solubilisation fondées sur le haut degré de dispersion des nanormédicaments et leur capacité à libérer le principe actif immédiatement après l’administration et celles fondées sur une libération retardée, contrôlée dans l’espace (accumulation tumorale, délivrance intracellulaire) et le temps (lorsque la cible pharmacologique est atteinte).

Est traitée à titre d’exemple une méthodologie permettant d’évaluer la fraction de molécule active nano-encapsulée après la fabrication et après la dilution dans le sang qui suit l’administration intraveineuse. La molécule anti-cancéreuse cabazitaxel nano-encapsulée dans des nanoparticules de PLA-PEG a été choisie pour cette étude.

Guillaume François Rouelle, né en 1703 près de Caen d’une famille de cultivateurs, a entrepris des études de médecine qui l’ont rebuté à cause de la douleur des patients et il s’est alors pris d’une passion pour les manipulations chimiques et les expériences de laboratoire. Il s’est exercé auprès d’apothicaires avant de s’établir près de la place Maubert à Paris. Il avait acquis une telle réputation que Buffon l’a nommé démonstrateur de chimie au Jardin royal des Plantes médicinales en 1743. C’est lui qui a formé les chimistes de l’époque révolutionnaire (Lavoisier, Macquer, Venel, Sage…). Des philosophes (Diderot, Rousseau, Condorcet), des savants (Parmentier, Jussieu), des économistes (Turgot), des hommes d’état (Malesherbes) et des gens du monde venaient suivre ses cours de chimie qui attiraient alors une foule considérable d’auditeurs. Cuvier a dit de lui : « Rouelle était un de ces hommes qui, par une grande vivacité d'élocution, par des idées hardies, une méthode vaste et simple à la fois, savent communiquer même aux gens du monde, l'enthousiasme dont ils sont remplis pour leur art ».

De fait, Rouelle était une personnalité originale, enthousiaste, passionnée par la chimie et sachant communiquer sa passion. Avec pétulance et souvent distraction, il exprimait des vues neuves, hardies, profondes. Dans ses démonstrations, il décrivait des procédés dont il eût voulu dérober le secret à ses auditeurs, mais qui lui échappaient à son insu dans la chaleur du discours, puis il ajoutait : « Mais ceci est un de mes arcanes que je ne dis à personne » et c'était précisément ce qu'il venait de révéler à tout le monde. Brouillon, il exposait, longuement et avec véhémence, ses idées, parfois sans ordre ni précision. Lavoisier avait remarqué : « Il réunissait à beaucoup de méthode dans la manière de présenter ses idées, beaucoup d’obscurité dans la manière de les énoncer ».

C’est ainsi qu’eut lieu, lors d’une de ces démonstrations, l'incident qui faillit être tragique, rapporté d'une manière assez piquante par Friedrich Melchior baron von Grimm (1723-1807), diplomate et homme de lettres bavarois. Il s'agissait précisément de l’expérience de l'inflammation de l'huile essentielle de térébenthine par l'esprit de nitre. Rouelle disait que « pour le succès de l'opération, il suffisait d'un tour de main fort simple et si peu apparent, qu'on peut l'exécuter en présence d'un grand nombre de personnes sans qu'elles s'en aperçoivent ». Ce jour-là, Rouelle expliquait le procédé et la théorie de sa belle expérience. Tout en agitant, avec un tube de verre, le mélange d'acide nitrique et d'essence de térébenthine sur le point d'être converti en charbon, il commençait à ajouter sur le produit la dernière dose d’acide nitrique mise en réserve, puis, se tournant brusquement vers l'auditoire pour achever l'explication : « Vous voyez ce chaudron sur ce brasier ? Et bien si je cessais de remuer un seul instant, il s’en suivrait une explosion qui nous ferait tous sauter en l’air. Ce disant, il oublie de remuer le mélange et la prédiction s’accomplit ! L’explosion a lieu avec grand fracas, toutes les vitres sont brisées, l'amphithéâtre est rempli d'une fumée épaisse et suffocante et tous les auditeurs se retrouvent dans le Jardin. Heureusement, personne ne fut blessé et le démonstrateur en fut quitte pour une perruque et la perte de ses manchettes ».

L’expérience que Rouelle était en train de réaliser concernait un travail sur l'inflammation des huiles essentielles, au moyen de l'esprit de nitre (acide nitrique). Ce travail qu’il avait publié en 1747 fixa au plus haut degré l'attention des savants et du public, car il y avait là une expérience qui parlait aux yeux, qui faisait naître de grandes idées d'application à l'industrie et à l'art de la guerre. Rouelle se plaisait à la répéter dans ses leçons. Le succès de l'expérience dépendait en effet d'une sorte de tour de main que, avec sa sagacité ordinaire, il avait découvert. Il s'agissait uniquement d'amener l'huile essentielle à l'état de charbon par la plus faible quantité possible d'esprit de nitre, puis d'en ajouter subitement une nouvelle dose, qui aussitôt déterminait l'inflammation. Il alla jusqu'à enflammer ainsi des huiles grasses. Il ajoutait alors une petite quantité d'acide vitriolique (acide sulfurique), non point, comme on le croyait avant lui, pour ajouter son énergie propre à celle du premier acide, mais bien, pour lui enlever une certaine proportion d'eau. Puis, il déterminait l'inflammation par l'addition d'une petite quantité d'acide nitrique qu'il avait mise en réserve.

Karl Josef Bayer (1847-1904) met au point l’obtention industrielle de l’alumine à partir de la bauxite et participe ainsi au développement ultérieur de l’industrie de l’aluminium. Il travaille, en France, à Gardanne avec Paul Héroult (1863-1914). Ce chimiste autrichien ne doit pas être confondu avec Friedrich Bayer (1825-1880), le fondateur de l’entreprise Bayer.

C’est à Bielitz, en Silésie que nait le 4 mars 1847, Karl Josef Bayer.

Il passe son enfance et son adolescence dans cette ville où il commence des études d’architecture pour faire plaisir à son père alors que ce sont les sciences et en particulier la chimie qui l’attirent. C’est pourquoi, en 1867, il est à Wiesbaben dans le laboratoire de Remigius Fresenius (1818-1897).

Puis, il va à Charleroi en Belgique travailler dans une usine sidérurgique avant de se rendre, en 1869, à Heidelberg, dans le laboratoire de Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899). Il étudie le césium et le rubidium qui sont des éléments chimiques trouvés par Bunsen dans le minerai appelé lépidolite. Ils appartiennent tous deux à la famille des alcalins. C’est l’indium qui est l’objet de sa thèse soutenue en 1871. L’indium a été trouvé en quantité infime dans les minerais de zinc et isolé en 1867. De nos jours, il est utilisé sous forme d’oxyde d’indium dans l’affichage à cristaux liquides des écrans plats LCD ( liquid crystal display).

Il obtient un poste d’assistant en chimie à la Technische Hochschule de Brünn en Moravie, l’actuelle Brno en République tchèque. Il fonde, dans cette ville, en 1873, un laboratoire de recherches et de conseils en chimie.

En 1880, il quitte la Moravie pour la Russie où il restera 14 ans. Il travaille à Tentelev près de Saint-Petersbourg dans une usine de colorants pour tissus. Cette usine utilise l’alumine pour teindre les toiles et c’est ainsi qu’il va faire ses premières découvertes concernant l’alumine. Il dépose des brevets en Angleterre en 1888 et en Allemagne en 1889 et une usine est immédiatement construite à Tentelev.

En 1892, il met au point le procédé d’extraction de l’alumine à partir de la bauxite. La bauxite est une roche riche en oxyde d’aluminium. La bauxite doit son nom au minéralogiste et géologue français Pierre Berthier (1782-1861) qui la découvre en 1821 près des Baux-de-Provence. La bauxite broyée est attaquée par la soude à haute température et sous pression conduit après plusieurs étapes à un oxyde d’aluminium, l’alumine. Ce procédé est encore utilisé de nos jours et appelé procédé Bayer.

Puis il part à Ielabouga en Sibérie, actuellement au Tatarstan, où il construit une usine d’extraction de l’alumine.

Il se rend ensuite au Royaume-Uni, aux Etats-Unis et en France afin de réaliser des usines d’extraction de l’alumine. En France, il travaille à l’usine de Gardanne, c’est là qu’il rencontre Paul Héroult (1863-1914).

L’usine de Gardanne a été créée en 1893. Les rapports entre les deux hommes ne sont pas bons, le procédé mis au point par Bayer pose de nombreux problèmes liés aux contraintes industrielles et demande beaucoup d’améliorations.

Alors que Bayer s’intéresse à l’alumine, Héroult profite de la découverte de Bayer pour développer l’obtention de l’aluminium à partir de l’alumine. Ce métal a été obtenu par voie chimique en 1854 par Henri Sainte-Claire Deville (1818-1881) et à cette époque c’est un métal précieux car son prix de revient est élevé.

L’électricité ayant fait de très grands progrès, Héroult obtient de l’aluminium par électrolyse en 1886.

Ce procédé est mis au point la même année par un américain Charles Hall (1863-1914). Actuellement l’aluminium est obtenu par voie électrolytique par le procédé Héroult-Hall. L’aluminium est un métal léger, résistant à la corrosion, excellent conducteur thermique et électrique et recyclable. De nos jours, l’aluminium est utilisé dans les transports, le bâtiment et aussi dans les cuisines.

En 1894, Bayer rentre en Autriche et s’installe à Rietzdorf en Basse-Styrie. Il meurt le 22 octobre 1904.

La Société chimique autrichienne décerne tous les six ans depuis 1961, la médaille Bayer à un chercheur qui s’est illustré dans le domaine de l’aluminium.

Pour en savoir plus :

• Henri Sainte-Claire Deville Les débuts de l’industrie de l’aluminium, Rev. Hist. Sci. Appl., vol.2, n°4 (1949) pp. 352-357
• Produits du jour de la Société Chimique de France (sélectionner alumine et aluminium)
• Réaction en un clin d’œil Comment faire des casseroles avec de la bauxite ?

Karl Josef Bayer
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En 1798 Humphrey Davy (1778-1829) découvrait à Londres les propriétés euphorisantes de l’hémioxyde d’azote, appelé gaz hilarant et, à l’époque gaz nitreux. Il avait été obtenu en 1772 par Joseph Priestley (1732-1804) dans les produits gazeux de décomposition thermique du nitrate d’ammonium. Les informations circulaient vite entre savants, elles parviennent à Madrid où Joseph Louis Proust (1754-1826), avec d’autres chimistes expatriés français, décide de reproduire les expériences

Il en fait le compte rendu en 1802, à son ami Jean-Claude Delaméthrie (1743-1817), médecin encyclopédiste et directeur du Journal de physique à Paris. Sa lettre est publiée : “Je crois vous avoir écrit, docteur, que je me proposois de respirer l’oxyde d’azote pour prendre part à cette riante ivresse, que les chimistes anglais nous ont annoncée”. Il décrit son matériel, “de vastes vessies bien souples, avec des robinets” (ballons fabriqués avec des vessies d’animaux), il élimine une première partie du gaz, suffocante et comparable à l’impression d’une moutarde forte, “et enfin quand il se montre sucré”, il le recueille pour ses expériences. “Dispos, enfin, assis dans mon fauteuil, et plein de confiance, mais pourtant sous les yeux d’une personne qui pût me dire si les changemens qu’elle auroit aperçus s’annonçoient en moi par des signes d’extase ou des grimaces ; je me mis à respirer largement, après avoir évacué d’abord l’air de mes poumons ; mais, où suis-je ? Le trouble de ma vue, un étourdissement qui croissoit, l’anxiété, les objets doubles, la défaillance enfin termina l’expérience. C’en étoit assez. Je me sentois encore si éloigné de cette douce hilarité qui devoit en être la récompense, que la persévérance me manqua tout-à-fait. Moins confiant, cependant dans ma propre expérience, que dans le récit de personnes aussi recommandables que celles qui ont éprouvé les effets de cette inspiration, j’ai répété les épreuves ; mais comme les résultats en ont été les mêmes, avec plus ou moins d’intensité, j’y ai renoncé.”

Longtemps les chimistes ont identifié les produits par leurs propriétés organoleptiques : goût, odeurs, couleurs. Cependant c’est Proust qui a formulé le premier une définition de l’espèce chimique : les corps purs ont une composition élémentaire constante (loi des proportions définies).

La décomposition thermique du nitrate d’ammonium fondu donne l’hémioxyde N₂O (+ 2 H₂O). L’hémioxyde est souillé de produits d’oxydation, monoxyde NO et dioxyde NO₂ monomère et dimère N₂O₄. De la première partie du gaz qu’il élimine au début de son expérience, Proust affirme : “Ce n’est pas du gaz nitreux ; il mérite d’être examiné”.

Aujourd’hui l’hémioxyde d’azote a des usages anesthésiants médicaux, mais hélas aussi certains s’en servent de drogue légale euphorisante, non sans danger.

Pour en savoir plus :

• lettre du Professeur Proust à J.-C. Delamétherie « Sur l’oxide d’azote respiré », Journal de Physique, de Chimie, d’Histoire naturelle et des Arts, t. LV, 1802, pp. 344-345
• La découverte des propriétés du gaz hilarant par Humphry Davy (1778-1829)

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