L'étonnant potentiel de la nanotechnologie, domaine des processus de création de matériaux et de produits de dimensions moléculaires, voire atomiques, promet de révolutionner l'existence. Le travail à l'échelle de l'infiniment petit, où l'unité de mesure de base est le nanomètre, soit un milliardième de mètre, exige des techniques novatrices pour créer, manipuler et produire des substances visibles seulement au moyen d'instruments tels que le microscope électronique. À titre de référence, l'épaisseur d'un cheveu humain ou d'une feuille de papier est de 100.000 nanomètres. La nanotechnologie a déjà des applications pratiques dans de nombreux domaines allant des vêtements aux équipements sportifs, et des scientifiques et chercheurs américains s'emploient à en tirer parti de multiples manières et à réaliser de nouvelles avancées.

Vol spatial

Depuis l'aube de l'ère spatiale, vieille d'un demi-siècle, le poids du carburant nécessaire pour propulser une fusée et pour placer son chargement sur une orbite terrestre ou l'envoyer dans l'espace extra-terrestre constitue une contrainte majeure qui limite les vols spatiaux. Les recherches menées sur des techniques révolutionnaires ayant recours aux nanotechnologies permettront vraisemblablement de lever cette contrainte, bien que leur application pratique se situe encore dans un avenir lointain.

À première vue, « un ascenseur spatial », dispositif qui permettrait de faire monter une charge dans l'espace à quelque 35.000 kilomètres de distance au moyen d'un filin partant de la surface de la Terre et aboutissant à un satellite en orbite géostationnaire, relève davantage de la science-fiction que de la science. Les problèmes techniques que pose la construction d'un tel ascenseur seraient immenses : il s'agirait en particulier de fabriquer un câble extraordinairement solide et extraordinairement long.

La nanotechnologie offre peut-être la clé de la réalisation de ce concept. Les chercheurs se penchent sur la possibilité d'utiliser des nanotubes de carbone, structures de quelques nanomètres de diamètre mais de plusieurs milliers de nanomètres de longueur, pour fabriquer ce câble. Étant donné la solidité des liaisons qui unissent les atomes de carbone formant les nanotubes, ceux-ci sont 100 fois plus solides que l'acier. Il reste naturellement d'immenses difficultés scientifiques, et d'ingénierie, à surmonter pour produire un tel câble en nanotubes, mais l'on continue d'enregistrer des progrès. C'est ainsi, par exemple, qu'une équipe de chercheurs de l'université Rice à Houston (Texas) a découvert qu'en combinant les nanotubes de carbone à de l'acide sulfurique, on pouvait aligner les nanotubes dans la même direction, ce qui accroît encore leur solidité. Si la création d'un ascenseur spatial est encore distante de plusieurs décennies, il pourrait réduire radicalement le coût actuellement extrêmement élevé de la mise de charges en orbite, coût estimé par la NASA (Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace) à 22.000 dollars le kilogramme, pour le ramener peut-être à quelques dollars.

Le rapport charge utile-carburant est de même un facteur important à considérer dans les vols interplanétaires, étant donné les immenses distances que doivent parcourir les vaisseaux spatiaux se déplaçant dans le système solaire. Brian Gilchrist, ingénieur électricien de l'université du Michigan, a proposé de recourir à la nanotechnologie pour créer un vaisseau spatial propulsé par un groupe de nanomoteurs dont chacun émettrait un flux continu de nanoparticules à charge électrique passant par des propulseurs microscopiques. Des millions de ces moteurs seraient groupés sur une couche de silicone de quelques centimètres carrés et l'on combinerait plusieurs de ces couches pour former le système de propulsion. Un tel système ne pourrait pas produire une poussée suffisante pour arracher le véhicule spatial à la pesanteur terrestre, mais une fois dans le vide spatial, les nanomoteurs pourraient faire accélérer le vaisseau progressivement et efficacement de façon à l'amener à sa destination finale.

Médecine

Les applications biomédicales de la nanotechnologie actuellement en cours de développement sont peut-être annonciatrices d'une approche radicalement nouvelle du diagnostic et de la lutte contre les maladies. Cela est dû à la taille extraordinairement réduite des nanoparticules, qui leur permettrait de s'infiltrer dans les bactéries ou même les virus et de les attaquer de l'intérieur.

Au Laboratoire national Lawrence Livermore, situé près de San Francisco, des scientifiques cherchent à produire des molécules à l'échelle nanoscopique dénommées « shals » (synthetic high-affinity ligands - ligands synthétiques de haute affinité) conçus spécifiquement pour adhérer à un endroit particulier de la surface d'une cellule humaine. Bien que les ligands synthétiques de haute affinité aient été envisagés initialement comme des instruments de défense contre d'éventuels actes de bioterrorisme, capables, notamment, de détecter et de neutraliser des pathogènes tels que l'anthrax, les biochimistes du laboratoire Lawrence Livermore et du Centre d'oncologie de l'université de Californie-Davis n'ont pas mis longtemps à entrevoir des applications médicales beaucoup plus larges. En construisant des ligands spécifiquement conçus pour adhérer aux sites récepteurs uniques se trouvant à la surface des protéines des cellules cancéreuses, ils espèrent se doter d'une nouvelle arme pour lutter contre le cancer. Combinés à un isotope radioactif ou à un médicament anticancéreux, les ligands synthétiques iraient se fixer sur les cellules cancéreuses cibles et achemineraient les substances actives directement dans la tumeur. Des expériences sont déjà en cours dans le traitement du cancer de la prostate et des lymphomes non hodgkiniens.

Si ces méthodes de lutte contre le cancer sont encore au stade du développement, certaines applications médicales de la nanotechnologie sont déjà en usage. Une entreprise pharmaceutique américaine, Nucryst Pharmaceuticals, produit des bandages médicaux recouverts de nanocristaux d'argent, élément qui possède des propriétés antimicrobiennes. Les bandages traités aux nanocristaux d'argent, dont la taille va de 1 à 100 nanomètres, délivrent un flux continu d'ions d'argent à action rapide dans les lésions pour accélérer la cicatrisation. Ils sont déjà utilisés dans les centres de traitement des grands brûlés aux États-Unis. Nucryst pense que cette technologie à base de nanocristaux permettra aussi de traiter divers types d'infection et d'inflammation.

Sciences de l'environnement

L'utilité des nanotechnologies tient souvent au fait qu'à échelle nanométrique, les matériaux peuvent présenter des propriétés physiques et chimiques très différentes de celles qu'ils présentent à plus grande échelle. Les nanoparticules offrent de par leurs dimensions atomiques mêmes, des possibilités uniques. Les chercheurs étudient ces avantages en vue d'une utilisation éventuelle pour améliorer la qualité de l'environnement.

Dans de nombreuses régions du globe, l'eau potable est contaminée par des substances toxiques, notamment par des métaux tels que l'arsenic. L'élimination de ces contaminants exige non seulement un matériel sophistiqué, mais aussi une source d'énergie fiable pour alimenter celui-ci ; or ces deux éléments, matériel et énergie, font souvent défaut dans le monde en développement. Des chercheurs de l'université Rice étudient une méthode simple pour résoudre ce problème, au moyen de nanocristaux de magnétite, matériau composé de fer et d'oxygène capable d'absorber l'arsenic. Lorsque l'on ajoute des nanocristaux de magnétite à de l'eau contaminée par l'arsenic, ils se combinent à l'arsenic ; un simple aimant attire les nanocristaux recouverts d'arsenic au fond du récipient, d'où l'on peut alors les extraire. L'avantage de cette technique est qu'elle permet d'utiliser des aimants facilement disponibles, alors que des particules de magnétites de plus grandes dimensions exigeraient des aimants plus puissants. Les recherches entreprises dans ce domaine offrent une approche novatrice et simple qui permet d'alimenter en eau potable les populations de régions isolées.

La nanotechnologie est prometteuse du fait des dimensions mêmes des particules. À l'université Lehigh, en Pennsylvanie, l'environnementaliste Wei-xiang Zhang étudie l'emploi de nanoparticules de fer pour nettoyer le sol et l'eau souterraine pollués par les métaux lourds, les pesticides et les solvants organiques. Contenues dans un mélange de boue liquide et injectées dans un site contaminé, les nanoparticules de fer s'introduisent entre les particules du sol ; en s'oxydant, elles décomposent les contaminants tels que les dioxines ou les PCB et les transforment en composés de carbone moins toxiques. La toxicité des métaux lourds tels que le plomb et le mercure est, de même, diminuée du fait du processus d'oxydation qui les rend insolubles et réduit leur infiltration dans les eaux souterraines. Les tests ont démontré que les taux de contamination accusaient une chute considérable autour du point d'injection dans les 48 heures, et que les polluants toxiques étaient pratiquement éliminés en l'espace de quelques semaines.

Energie

La convergence de plusieurs facteurs, à savoir la pression exercée par la croissance constante de la population humaine et de l'économie mondiale sur les réserves de carburants fossiles traditionnels, les préoccupations suscitées par le réchauffement climatique et la forte augmentation du prix des hydrocarbures, confère une importance plus vitale que jamais au développement de sources d'énergie de substitution. Les recherches actuellement menées aux États-Unis dans le domaine des nanotechnologies ouvrent des pistes intéressantes susceptibles de déboucher sur une révolution en matière d'extraction d'énergie à partir de sources propres et renouvelables, notamment l'énergie solaire.

À l'université Harvard, par exemple, des chercheurs ont mis au point des cellules solaires en « nanofils » n'ayant que 300 nanomètres de diamètre. Comme le décrit la MIT Technology Review, une cellule solaire de ce type possède un noyau de silicone cristallisée et plusieurs couches concentriques de silicone ayant différentes propriétés électroniques. Chaque couche joue le même rôle que les couches de semi-conducteurs des cellules solaires classiques, qui est d'absorber la lumière et de capturer des électrons pour produire de l'électricité. Ces cellules solaires microscopiques seront sans doute d'abord utilisées pour alimenter des nanodispositifs, mais on pourra peut-être, à terme, les grouper en grand nombre pour remplacer les panneaux solaires traditionnels utilisés aujourd'hui. Il reste toutefois des obstacles à surmonter pour commercialiser cette technologie ; il s'agira notamment de trouver le moyen de grouper les nanofils solaires en faisceaux plus denses qu'il n'est possible aujourd'hui et d'accroître leur taux de conversion lumière-électricité actuellement faible (moins d'un cinquième de celui des panneaux solaires classiques).

À quelque 35 kilomètres de Harvard, dans la vieille ville textile de Lowell (Massachusetts), Konarka, une entreprise privée spécialisée dans les techniques de pointe, a adopté une autre méthode d'utilisation de la nanotechnologie pour créer de l'énergie solaire. Elle a inventé un processus qui permet d'appliquer des nanoparticules de dioxyde de titane à une pellicule de plastique, qui est ensuite revêtue d'une teinture photosensible. Lorsque cette teinture est exposée à la lumière, solaire ou artificielle, les particules de dioxyde de titane produisent de l'électricité. Ce processus en est encore au stade du développement, mais Konarka envisage une multitude d'applications pratiques pour ces bandes de plastique souple en remplacement des panneaux photovoltaïques rigides traditionnels qui ne sont pas utilisables partout. Les nouvelles pellicules pourraient, par exemples, servir d'enveloppe à divers dispositifs tels que des ordinateurs ou des téléphones portables, être sur des supports de toutes sortes (même des tentes) pour en faire des générateurs autonomes, ou même tissées dans des vêtements pour offrir une source d'alimentation éminemment pratique à l'utilisateur de produits électroniques personnels.

Domenick DiPasquale est un journaliste indépendant. Il a été pendant 27 ans diplomate de l'Agence d'information des États-Unis et du département d'État des États-Unis au Ghana, au Kenya, au Brésil, en Bosnie, à Singapour et en Slovénie.

Les opinions exprimées dans le présent article ne coïncident pas nécessairement avec les vues ou les politiques du gouvernement des États-Unis.