Nanomonde , livre ebook

Louis Laurent
Nanomonde
Les frontières du possible
Copyright

© EDP Sciences, Les Ulis, 2016
ISBN papier : 9782759820474 ISBN numérique : 9782759828784
Composition numérique : 2022
http://publications.edpsciences.org/
Cette uvre est protégée par le droit d auteur et strictement réservée à l usage privé du client. Toute reproduction ou diffusion au profit de tiers, à titre gratuit ou onéreux, de tout ou partie de cette uvre est strictement interdite et constitue une contrefaçon prévue par les articles L 335-2 et suivants du Code de la propriété intellectuelle. L éditeur se réserve le droit de poursuivre toute atteinte à ses droits de propriété intellectuelle devant les juridictions civiles ou pénales.
Présentation

En 1959, le physicien Richard Feynman envisage la possibilité qu’on puisse utiliser des objets, dont la taille se mesure en milliardièmes de mètres. Quelques décennies plus tard, c’est chose faite, avec l’essor des nanotechnologies puis de la biologie de synthèse.
Louis Laurent aborde le sujet par un voyage imaginaire vers l’infiniment petit, qui illustre à quel point le nanomonde peut être déroutant. À la suite de ce récit, le lecteur féru de sciences, trouvera un exposé sur la manière dont les lois de la physique se manifestent à cette échelle.
Puis on entre dans le concret, avec la microélectronique, les nanosystèmes naturels, les efforts des chimistes pour fabriquer le moteur ultime, les matériaux intelligents, la micro-robotique et les derniers développements de la biologie de synthèse. L’auteur nous convie alors à une réflexion prospective sur la frontière de la complexité, qui sépare l’artificiel du naturel.
L’approche adoptée dans ce livre est originale. Tout d’abord, cet ouvrage ne se réclame d’aucune discipline scientifique, physique, chimie et biologie étant traitées ensemble. D’autre part, les développements scientifiques sont très vivants, enrichis de mises en perspective historiques, d’anecdotes, mais aussi de références à la science-fiction. Le dernier chapitre, plutôt inhabituel dans ce type d’ouvrage constitue une mini anthologie de science-fiction.
Table des matières Remerciements Introduction. Les frontières du possible Les deux mondes De la science à la fiction ? Quelles sont les limites du possible ? 1. Lois d échelle et forces La machine à rétrécir Première étape : le palier « 18 millimètres » Deuxième étape : le palier « 18 micromètres » Troisième étape : le palier « 18 nanomètres » Quatrième étape : le palier « 18 picomètres » 2. Les lois du nanomonde Un monde très collant Un monde très agité Deux phénomènes omniprésents Nanomachines thermiques 3. Les nanomachines créées par l Homme Du discours de Feynman à la microélectronique Méthodes de fabrication de la microélectronique Vers des nanosystèmes mécaniques L assemblage par les méthodes de la chimie 4. Les nanomachines naturelles Comment est construit le vivant ? Construire une cellule Quelques exemples de « nanomachines » du vivant La biologie de synthèse 5. Quelle convergence ? Machines artificielles et le vivant La vision de Drexler Micromachines et microfabrication S inspirer du vivant Questionnements 6. Nanomachines et imaginaires Nanomachines et fiction Trois visions du futur Quels sont leurs effets ? Les nanomachines de l imaginaire Conclusion
Remerciements

J e tiens à remercier Isabelle Antoine pour ses précieux commentaires sur le manuscrit et Christine Savelsbergh pour son illustration du chapitre 6. Ce livre a également bénéficié des nombreuses discussions que l auteur a pu avoir entre 2012 et 2014 avec ses collègues de l Observatoire de la biologie de synthèse hébergé par le CNAM.
Introduction. Les frontières du possible

Les deux mondes
D ans son célèbre discours prononcé au Caltech (Institut californien de technologie) à l occasion de la réunion annuelle de la Société américaine de physique en 1959, le prix Nobel Richard Feynman exprimait que rien ne s opposait à ce que l Homme pût construire des objets d une taille proche de celle des atomes. Cette capacité s est aujourd hui concrétisée à travers le formidable essor de l industrie des circuits intégrés. C est ainsi que l Homme a développé la boîte à outils de la microélectronique pour réaliser des systèmes complexes, comme les microprocesseurs. À l intérieur de ceux-ci, les opérations élémentaires se font sur des circuits électriques dont la taille se mesure en nanomètres (« nano » voulant dire un milliardième, ou 10 -9 ) alors que, rappelons-le, quand Feynman prononça son discours, le transistor venait tout juste d être inventé et était un objet dont la taille était plutôt de l ordre du centimètre. On utilise désormais les techniques de la microélectronique pour réaliser autre chose que des circuits électriques, comme des systèmes avec des capteurs ou des actionneurs. Un actionneur est un élément qui « agit », par exemple un levier qui se déplace, un miroir qui tourne Certains sont déjà en service, comme ceux qui mesurent les accélérations et servent à déclencher les airbags dans les automobiles. Ils ont des tailles qui se mesurent en micromètres (millionièmes de mètres). Et ils pourraient bien continuer à rétrécir pour se mesurer, eux aussi, en centaines d atomes. On parlerait alors de nanomachines, c est-à-dire de machines dont la taille des pièces se mesurerait en nanomètres.
Dans son discours, Feynman donne l exemple du « merveilleux système biologique ». En effet, la vie s appuie sur de nombreux ensembles de taille nanométrique, qui remplissent des fonctions variées comme la synthèse chimique ou, au contraire, la destruction de molécules, la fonction de capteur ou d actionneur, le stockage et le traitement de l information. Ces ensembles, qui sont constitués de centaines de milliers d atomes, sont beaucoup plus sophistiqués que les machines humaines. Durant des siècles, on a fait appel à eux pour synthétiser des substances chimiques, d abord à partir de microorganismes existant dans la nature, puis à partir de microorganismes modifiés. En parallèle, depuis plus d un siècle, divers acteurs ont souligné que rien ne s opposait à ce que l Homme puisse créer des objets s inspirant du vivant, en rejoignant d une certaine manière les idées de Feynman. C est dans ce sens que diverses recherches s inspirent ouvertement de la nature et visent à reproduire certaines de ses inventions, par exemple en réalisant des nanomoteurs. Mais là où les progrès ont été les plus spectaculaires dans la compréhension et dans la capacité à fabriquer, c est dans le domaine de la génétique. C est ainsi, qu il y a quelques années, une équipe a fabriqué de toutes pièces le premier génome artificiel d une bactérie.
De la science à la fiction ?
On ne peut pas rejeter d un haussement d épaules l éventualité, qu un jour, l Homme conçoive des machines qui pourraient réaliser, comme le vivant, des tâches complexes, voire qui se reproduiraient. Les lois de la physique l autorisent puisqu une bactérie, un assemblage d une centaine de milliards d atomes, remplit un tel cahier des charges. Pendant des siècles, on a vu dans la vie une force mystérieuse qui échappait à la science. Depuis cent ans environ, les progrès de la biologie nous ont amenés progressivement à considérer le vivant comme un agencement de systèmes de traitement de la matière, de l énergie et de l information. On ne peut donc pas considérer a priori comme impossible la réalisation d un objet que la nature a tout de même développé sur Terre en un milliard d années
En ce qui concerne l échelle nanométrique, on perçoit trois raisons pour lesquelles des machines plus autonomes pourraient émerger à cette échelle :
une machine complexe doit comporter un très grand nombre de pièces. Celles-ci seront nécessairement de très petite taille, si l on veut que le tout reste de taille raisonnable ;
elle peut tirer parti des lois physiques qui dominent le nanomonde, notamment l agitation thermique, ce mouvement incessant qui anime tout nanoobjet, ainsi qu un jeu particulier de forces spécifiques de l échelle atomique, le tout combiné ensemble et permettant des interactions très sélectives à l origine d assemblages spontanés ;
une machine complexe ne peut fonctionner, se maintenir ou se dupliquer que si elle a à sa disposition de l énergie et des pièces de rechange. Pour une machine microscopique, les pièces de base sont les molécules, plus faciles à trouver et parfaitement standardisées. C est ainsi que « fonctionne » le vivant, qui recycle perpétuellement des biomolécules.
Certains n ont pas attendu pour spéculer sur cette convergence. Elle pourrait par exemple prendre la forme de machines ayant les capacités du vivant, voire d avantage. Un concept particulièrement spectaculaire est celui des assembleurs, inventé par l américain Éric Drexler. Celui-ci publia en 1986 un livre intitulé Engins de création [1] , ouvrage qui eut un retentissement considérable dans la communauté qui gravitait autour des nanotechnologies, décideurs, penseurs, public intéressé par les sciences et une partie des chercheurs. Éric Drexler y développa longuement les conséquences qu aurait selon lui le développement de techniques d assemblage à l échelle moléculaire. Il évoqua ainsi des machines microscopiques capables de tirer de leur environnement l énergie et les matières premières qui leur sont nécessaires. Drexler imagina le cas de machines suffisamment complexes pour pouvoir se reproduire en consommant, dans l hypothèse d une évolution catastrophique, la croûte terrestre.
Quelles sont les limites du possible ?
Pour résumer, on peut parler de nanomachines dans deux domaines. Il y a d un côté celui de l inanimé, peuplé de transistors, de capteurs et d actionneurs ; de l autre côté, le vivant, qui a su fabriquer des molécules qui sont de véritables nanomachines, ellesmêmes éléments de microorganismes. C est du parallèle entre ces deux domaines que traite cet ouvrage avec, sous-jacente, la question d une convergence possible entre ces d