Cette chronologie présente des exemples prémodernes de nanotechnologies, ainsi que des découvertes de l’ère moderne et des étapes importantes dans le domaine des nanotechnologies.
Exemples prémodernes de nanotechnologies
Les premiers exemples de matériaux nanostructurés étaient basés sur la compréhension empirique et la manipulation des matériaux par les artisans. L’utilisation de la chaleur élevée était une étape commune dans leurs processus pour produire ces matériaux aux propriétés inédites.
La Coupe de Lycurgue au British Museum, éclairée de l’extérieur (à gauche) et de l’intérieur (à droite)
4e siècle : La coupe de Lycurgue (Rome) est un exemple de verre dichroïque ; l’or et l’argent colloïdaux contenus dans le verre lui permettent d’avoir un aspect vert opaque lorsqu’il est éclairé de l’extérieur, mais rouge translucide lorsque la lumière traverse l’intérieur. (Images à gauche.)
Bol lustré polychrome, IXe siècle, Irak, British Museum (©Trinitat Pradell 2008)
9e-17e siècles : Les glaçures céramiques « lustrées » scintillantes utilisées dans le monde islamique, et plus tard en Europe, contenaient des nanoparticules d’argent ou de cuivre ou d’autres métaux. (Image à droite.)
La rosace sud de la cathédrale Notre-Dame, vers 1250
6e-15e siècles : Les vitraux éclatants des cathédrales européennes devaient leurs riches couleurs à des nanoparticules de chlorure d’or et d’autres oxydes et chlorures métalliques ; les nanoparticules d’or agissaient également comme des purificateurs d’air photocatalytiques. (Image à gauche.)
13e-18e siècles : Les lames de sabre « Damas » contenaient des nanotubes de carbone et des nanofils de cémentite – une formulation d’acier à très haute teneur en carbone qui leur donnait de la force, de la résilience, la capacité de tenir un bord vif et un motif moiré visible dans l’acier qui donne leur nom aux lames. (Images ci-dessous.)
 |
 |
| (Gauche) Un sabre de Damas (photo de Tina Fineberg pour le New York Times). (A droite) Image de microscopie électronique à transmission à haute résolution de nanotubes de carbone dans un véritable sabre de Damas après dissolution dans l’acide chlorhydrique, montrant des restes de nanofils de cémentite encapsulés par des nanotubes de carbone (barre d’échelle, 5 nm) (M. Reibold, P. Paufler, A. A. Levin, W. Kochmann, N. Pätzke & D. C. Meyer, Nature 444, 286, 2006). | |
Exemples de découvertes et de développements permettant la nanotechnologie à l’ère moderne
Ils sont basés sur une compréhension et une instrumentation scientifiques de plus en plus sophistiquées, ainsi que sur l’expérimentation.
Colloïde d’or « Rubis » (Gold Bulletin 2007 40,4, p. 267)
1857 : Michael Faraday découvre l’or colloïdal « rubis », démontrant que l’or nanostructuré, dans certaines conditions d’éclairage, produit des solutions de couleurs différentes.
1936 : Erwin Müller, travaillant au laboratoire de recherche Siemens, invente le microscope à émission de champ, permettant d’obtenir des images à résolution quasi atomique des matériaux.
1947 : John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain, aux Bell Labs, découvrent le transistor à semi-conducteurs et élargissent considérablement les connaissances scientifiques sur les interfaces des semi-conducteurs, jetant les bases des dispositifs électroniques et de l’ère de l’information.
1947 transistor, Bell Labs
1950 : Victor La Mer et Robert Dinegar développent la théorie et un procédé de croissance de matériaux colloïdaux monodispersés. La capacité contrôlée de fabriquer des colloïdes permet une myriade d’utilisations industrielles telles que des papiers spécialisés, des peintures et des films minces, voire des traitements par dialyse.
1951 : Erwin Müller est le pionnier du microscope à ions de champ, un moyen d’imager l’arrangement des atomes à la surface d’une pointe métallique pointue ; il a d’abord imagé des atomes de tungstène.
1956 : Arthur von Hippel, au MIT, introduit de nombreux concepts – et invente le terme – de « génie moléculaire » appliqué aux diélectriques, ferroélectriques et piézoélectriques
Jack Kilby, vers 1960.
1958 : Jack Kilby, de Texas Instruments, a initié le concept du premier circuit intégré, l’a conçu et l’a construit, ce qui lui a valu le prix Nobel en 2000. (Image à gauche.)
Richard Feynman (archives Caltech)
1959 : Richard Feynman, de l’Institut de technologie de Californie, donne ce qui est considéré comme la première conférence sur la technologie et l’ingénierie à l’échelle atomique, « There’s Plenty of Room at the Bottom », lors d’une réunion de l’American Physical Society à Caltech. (Image à droite.)
Le premier graphique public de Moore montrant sa vision de l’industrie des semi-conducteurs pouvant « entasser plus de composants sur des circuits intégrés »
1965 : Gordon Moore, cofondateur d’Intel, décrit dans le magazine Electronics plusieurs tendances qu’il prévoit dans le domaine de l’électronique. Une tendance maintenant connue sous le nom de « loi de Moore », décrivait la densité des transistors sur une puce intégrée (IC) doublant tous les 12 mois (modifiée plus tard à tous les 2 ans). Moore prévoyait également que la taille et le coût des puces diminueraient parallèlement à l’augmentation de leurs fonctionnalités, ce qui aurait un effet transformateur sur les modes de vie et de travail des gens. Si la tendance fondamentale envisagée par Moore s’est poursuivie pendant 50 ans, c’est en grande partie grâce à la dépendance croissante de l’industrie des semi-conducteurs à l’égard de la nanotechnologie, les circuits intégrés et les transistors s’étant rapprochés des dimensions atomiques.1974 : Le professeur Norio Taniguchi de l’université scientifique de Tokyo invente le terme nanotechnologie pour décrire l’usinage de précision des matériaux dans des tolérances dimensionnelles à l’échelle atomique. (Voir le graphique à gauche.)
1981 : Gerd Binnig et Heinrich Rohrer, du laboratoire IBM de Zurich, inventent le microscope à effet tunnel, permettant aux scientifiques de « voir » (créer des images spatiales directes de) des atomes individuels pour la première fois. Binnig et Rohrer ont remporté le prix Nobel pour cette découverte en 1986.
1981 : Le Russe Alexei Ekimov découvre des points quantiques nanocristallins et semi-conducteurs dans une matrice de verre et mène des études pionnières sur leurs propriétés électroniques et optiques.
1985 : Les chercheurs de l’université Rice Harold Kroto, Sean O’Brien, Robert Curl et Richard Smalley ont découvert le Buckminsterfullerène (C60), plus communément appelé buckyball, qui est une molécule ressemblant à un ballon de football en forme et composée entièrement de carbone, comme le sont le graphite et le diamant. L’équipe a reçu le prix Nobel de chimie 1996 pour son rôle dans cette découverte et celle, plus générale, de la classe des molécules fullerènes. (Rendu d’artiste à droite.)
1985 : Louis Brus, des Bell Labs, découvre les nanocristaux de semi-conducteurs colloïdaux (points quantiques), pour lesquels il partage le prix Kavli 2008 en nanotechnologie.
1986 : Gerd Binnig, Calvin Quate et Christoph Gerber inventent le microscope à force atomique, qui a la capacité de visualiser, mesurer et manipuler des matériaux jusqu’à des fractions de nanomètre, y compris la mesure de diverses forces intrinsèques aux nanomatériaux.
1989 : Don Eigler et Erhard Schweizer, au centre de recherche Almaden d’IBM, ont manipulé 35 atomes de xénon individuels pour épeler le logo IBM. Cette démonstration de la capacité à manipuler précisément des atomes a inauguré l’utilisation appliquée de la nanotechnologie. (Image à gauche.)
Années 1990 : Les premières entreprises de nanotechnologie ont commencé à fonctionner, par exemple, Nanophase Technologies en 1989, Helix Energy Solutions Group en 1990, Zyvex en 1997, Nano-Tex en 1998….
1991 : Sumio Iijima de NEC est crédité de la découverte du nanotube de carbone (CNT), bien qu’il y ait eu des observations précoces de structures tubulaires de carbone par d’autres également. Iijima a partagé le prix Kavli en nanoscience en 2008 pour cette avancée et d’autres avancées dans le domaine. Les NTC, comme les buckyballs, sont entièrement composés de carbone, mais sous une forme tubulaire. Ils présentent des propriétés extraordinaires en termes de résistance, de conductivité électrique et thermique, entre autres. (Image ci-dessous.)
 |
 |
 |
| Nanotubes de carbone (courtoisie de la National Science Foundation). Les propriétés des NTC sont explorées pour des applications dans l’électronique, la photonique, les tissus multifonctionnels, la biologie (par exemple, comme échafaudage pour la croissance des cellules osseuses) et les communications. Voir un article du magazine Discovery de 2009 pour d’autres exemples | Micrographie SEM de « papier » nanotube purifié dans lequel les nanotubes sont les fibres (barre d’échelle, 0,001 mm) (courtoisie, NASA). | Un réseau de nanotubes de carbone alignés, qui peut agir comme une antenne radio pour détecter la lumière à des longueurs d’onde visibles (barre d’échelle 0,001 mm) (courtoisie, K. Kempa, Boston College). |
1992 : C.T. Kresge et ses collègues de Mobil Oil découvrent les matériaux catalytiques nanostructurés MCM-41 et MCM-48, aujourd’hui largement utilisés pour le raffinage du pétrole brut ainsi que pour l’administration de médicaments, le traitement de l’eau et d’autres applications variées.
 |
 |
| MCM-41 est un nanomatériau de silice « tamis moléculaire mésoporeux » avec une disposition hexagonale ou « en nid d’abeille » de ses pores cylindriques droits, comme le montre cette image TEM (avec l’aimable autorisation de Thomas Pauly, Michigan State University). | Cette image TEM de MCM-41 observe les pores cylindriques droits lorsqu’ils sont perpendiculaires à l’axe d’observation (avec l’aimable autorisation de Thomas Pauly, Michigan State University). |
1993 : Moungi Bawendi du MIT invente une méthode de synthèse contrôlée de nanocristaux (points quantiques), ouvrant la voie à des applications allant de l’informatique à la biologie en passant par les photovoltaïques et l’éclairage à haut rendement. Au cours des années suivantes, les travaux d’autres chercheurs tels que Louis Brus et Chris Murray ont également apporté des méthodes de synthèse des points quantiques.
1998 : Le groupe de travail interagences sur les nanotechnologies (IWGN) a été formé sous l’égide du Conseil national des sciences et des technologies pour étudier l’état de l’art en matière de science et de technologie à l’échelle nanométrique et pour prévoir les développements futurs possibles. L’étude et le rapport de l’IWGN, Nanotechnology Research Directions : Vision for the Next Decade (1999) ont défini la vision de l’initiative nationale américaine en matière de nanotechnologies et ont directement conduit à sa formation en 2000.
1999 : Les chercheurs Wilson Ho et Hyojune Lee de l’université Cornell ont sondé les secrets de la liaison chimique en assemblant une molécule à partir de composants constitutifs à l’aide d’un microscope à effet tunnel. (Image à gauche.)
1999 : Chad Mirkin, de l’université Northwestern, invente la nanolithographie par trempage (DPN®), conduisant à une « écriture » manufacturable et reproductible des circuits électroniques ainsi qu’à la formation de motifs sur des biomatériaux pour la recherche en biologie cellulaire, le nanocryptage et d’autres applications. (Image en bas à droite.)
Utilisation du DPN pour déposer des biomatériaux ©2010 Nanoink
1999-début des années 2000 : Les produits de consommation faisant appel aux nanotechnologies ont commencé à apparaître sur le marché, notamment des pare-chocs automobiles légers dotés de nanotechnologies qui résistent aux bosses et aux rayures, des balles de golf qui volent plus droit, des raquettes de tennis plus rigides (la balle rebondit donc plus vite), des battes de baseball avec une meilleure flexion et un meilleur » kick « , » des chaussettes antibactériennes en nanoargent, des écrans solaires transparents, des vêtements infroissables et résistants aux taches, des cosmétiques thérapeutiques pénétrant en profondeur, des revêtements de verre résistant aux rayures, des batteries se rechargeant plus rapidement pour les outils électriques sans fil, et des écrans améliorés pour les téléviseurs, les téléphones portables et les appareils photo numériques.
2000: Le président Clinton lance l’Initiative nationale en matière de nanotechnologies (NNI) pour coordonner les efforts fédéraux de R&D et promouvoir la compétitivité des États-Unis dans le domaine des nanotechnologies. Le Congrès a financé la NNI pour la première fois au cours de l’année fiscale 2001. Le sous-comité NSET du NSTC a été désigné comme le groupe interagences responsable de la coordination de la NNI.
2003 : Le Congrès a promulgué la loi sur la recherche et le développement des nanotechnologies au 21e siècle (P.L. 108-153). Cette loi a fourni une base statutaire pour la NNI, a établi des programmes, attribué des responsabilités aux agences, autorisé des niveaux de financement et encouragé la recherche pour aborder les questions clés.
Simulation par ordinateur de la croissance d’une nanocoque d’or avec un noyau de silice et une surcouche d’or (courtoisie de N. Halas, Genome News Network, 2003)
2003 : Naomi Halas, Jennifer West, Rebekah Drezek et Renata Pasqualin, de l’université Rice, ont mis au point des nanocoquilles d’or qui, lorsqu’elles sont « accordées » en taille pour absorber la lumière proche de l’infrarouge, servent de plate-forme pour la découverte, le diagnostic et le traitement intégrés du cancer du sein sans biopsies invasives, chirurgie ou radiations ou chimiothérapie destructrices systémiques.2004 : La Commission européenne a adopté la communication « Vers une stratégie européenne en faveur des nanotechnologies », COM(2004) 338, qui proposait d’institutionnaliser les efforts européens en matière de nanosciences et de R&D dans le cadre d’une stratégie intégrée et responsable, et qui a suscité des plans d’action européens et un financement continu pour la R&D en nanotechnologie. (Image à gauche.)
2004 : La Royal Society britannique et la Royal Academy of Engineering ont publié Nanoscience and Nanotechnologies : Opportunities and Uncertainties préconisant la nécessité d’aborder les problèmes potentiels de santé, d’environnement, de société, d’éthique et de réglementation associés aux nanotechnologies.
2004 : SUNY Albany a lancé le premier programme d’enseignement supérieur en nanotechnologie aux États-Unis, le College of Nanoscale Science and Engineering.
2005 : Erik Winfree et Paul Rothemund, de l’Institut de technologie de Californie, ont développé des théories pour le calcul basé sur l’ADN et « l’auto-assemblage algorithmique » dans lequel les calculs sont intégrés dans le processus de croissance des nanocristaux.
Nanocar avec des roues buckyball tournantes (crédit : RSC, 29 mars 2006).
2006 : James Tour et ses collègues de l’université Rice ont construit une voiture à l’échelle nanométrique composée d’oligo(phénylène éthynylène) avec des essieux alcyniques et quatre roues sphériques en fullerène C60 (buckyball). En réponse à une augmentation de la température, la nano-voiture s’est déplacée sur une surface d’or en raison de la rotation des roues buckyball, comme dans une voiture conventionnelle. A des températures supérieures à 300°C, elle se déplaçait trop vite pour que les chimistes puissent en garder la trace ! (Image à gauche.)
2007 : Angela Belcher et ses collègues du MIT ont construit une batterie lithium-ion avec un type commun de virus qui n’est pas nocif pour les humains, en utilisant un processus peu coûteux et respectueux de l’environnement. Les batteries ont la même capacité énergétique et les mêmes performances de puissance que les batteries rechargeables de pointe envisagées pour alimenter les voitures hybrides rechargeables, et elles pourraient également être utilisées pour alimenter les appareils électroniques personnels. (Image à droite.)
(De gauche à droite) Les professeurs du MIT Yet-Ming Chiang, Angela Belcher et Paula Hammond présentent un film chargé de virus qui peut servir d’anode à une batterie. (Photo : Donna Coveney, MIT News.)
2008 : La première stratégie officielle de la NNI pour la recherche sur l’environnement, la santé et la sécurité (EHS) liés aux nanotechnologies a été publiée, sur la base d’un processus de deux ans d’enquêtes parrainées par la NNI et de dialogues publics. Ce document de stratégie a été mis à jour en 2011, après une série d’ateliers et d’examens publics.
2009-2010 : Nadrian Seeman et ses collègues de l’université de New York ont créé plusieurs dispositifs d’assemblage nanométriques robotisés de type ADN. L’un d’eux est un procédé permettant de créer des structures d’ADN en 3D à l’aide de séquences synthétiques de cristaux d’ADN qui peuvent être programmées pour s’auto-assembler à l’aide de « bouts collants » et être placées dans un ordre et une orientation déterminés. La nanoélectronique pourrait en bénéficier : la flexibilité et la densité que permettent les composants 3D à l’échelle nanométrique pourraient permettre l’assemblage de pièces plus petites, plus complexes et plus rapprochées. Une autre création de Seeman (avec des collègues de l’université chinoise de Nanjing) est une « chaîne de montage d’ADN ». Pour ces travaux, Seeman a partagé le prix Kavli en nanoscience en 2010.
2010 : IBM a utilisé une pointe de silicium mesurant seulement quelques nanomètres à son sommet (similaire aux pointes utilisées dans les microscopes à force atomique) pour ciseler la matière d’un substrat afin de créer une carte en relief 3D nanométrique complète du monde, d’une taille d’un millième de celle d’un grain de sel, en 2 minutes et 23 secondes. Cette activité a démontré l’existence d’une puissante méthodologie de modélisation permettant de générer des motifs et des structures à l’échelle nanométrique de 15 nanomètres seulement, à un coût et une complexité considérablement réduits, ouvrant de nouvelles perspectives pour des domaines tels que l’électronique, l’optoélectronique et la médecine. (Image ci-dessous.)
Image rendue d’une pointe de silicium nanométrique ciselant la plus petite carte en relief du monde sur un substrat de verre moléculaire organique. Au premier plan, la mer Méditerranée et l’Europe. (Image gracieusement fournie par Advanced Materials.)
2011 : Le sous-comité NSET a mis à jour à la fois le plan stratégique de la NNI et la stratégie de recherche sur l’environnement, la santé et la sécurité de la NNI, en s’appuyant sur les nombreuses contributions des ateliers publics et du dialogue en ligne avec les parties prenantes du gouvernement, du monde universitaire, des ONG et du public, entre autres.
2012 : La NNI a lancé deux autres initiatives de signature en nanotechnologie (NSI) – les nanocapteurs et l’infrastructure de connaissances en nanotechnologie (NKI) – portant le total à cinq NSI.
2013 :
-La NNI entame le prochain cycle de planification stratégique, en commençant par l’atelier des parties prenantes.
Des chercheurs de Stanford développent le premier ordinateur à nanotube de carbone.
2014:
-La NNI publie la mise à jour du plan stratégique de 2014.
-La NNI publie l’examen de l’état d’avancement 2014 de la mise en œuvre coordonnée de la stratégie de recherche 2011 de la NNI en matière d’environnement, de santé et de sécurité.