"There is plenty of room at the bottom." Enoncée en 1959 par le physicien américain Richard Feynman (qui décrocha un Prix Nobel en 1965), cette boutade prémonitoire signifiait que logiquement rien – sinon l'absence d'outils adéquats – n'empêcherait un jour les scientifiques de travailler directement à l'échelle même des atomes. Et que ce jour serait une révolution, car on sortirait ainsi de la physique classique pour entrer dans un univers régi par les logiques singulières des lois quantiques.

Depuis une dizaine d'années, le préfixe "nano" caractérise les démarches qui – dans de nombreux domaines – étudient et manipulent la matière à l'échelle atomique.

Vue par microscopie à force atomique d'une membrane plasmique et de protéines.

Les instruments adéquats commencèrent à apparaître dans les années 80 avec l'invention, par des chercheurs de Zurich, d'une nouvelle famille de microscopes 1 permettant tout à la fois d'observer et de manipuler les atomes un à un. D'abord cantonnés aux laboratoires de physique, ces outils se sont répandus dans d'autres disciplines. Peu à peu s'est ainsi forgé, à partir de 1995, le double concept des nanosciences et des nanotechnologies, en référence au nanomètre. Cette unité de longueur équivaut à un milliardième de mètre, à savoir l'intervalle occupé par une dizaine d'atomes de taille moyenne.

Les nanotechnologies, c'est l'ensemble des technologies manipulant tous objets de l'ordre du nanomètre. Un nanomètre, c'est 0,000000001 mètre, c'est-à-dire un milliardième de mètre. C'est environ l'équivalent de vingt atomes d'hydrogène, mis côte à côte, tandis que les molécules (assemblages d'atomes) peuvent faire plusieurs nanomètres de longueur.
Ce sont les briques élémentaires qui fabriquent toute la matière qui nous entoure et qui se retrouvent librement dans la nature.
Les nanotechnologies, c'est fabriquer de la matière un peu de la même façon que l'on fabrique une maison avec des Legos. « En bref, explique Rogerio Lima, attaché de recherche à l'Institut des matériaux industriels du Conseil national de recherches Canada, les nanotechnologies, c'est contrôler les propriétés de la matière à l'échelle du nanomètre pour obtenir des matériaux ayant les propriétés recherchées à notre échelle. » C'est de l'architecture à l'échelle atomique et moléculaire.

De la théorie à la pratique : une grande épopée
L'homme a trouvé en l'atome une partie de la solution à son grand rêve : contrôler la matière qui l'entoure. Cependant, Rome ne s'est pas construite en un jour ! Depuis le début du 20e siècle, des milliers de scientifiques se sont dévoués corps et âmes afin d'en tracer un portrait raisonnable."Grâce à la mécanique quantique, nous parvenons à comprendre comment se comporte la matière à ces échelles".

Les scientifiques ont découvert que les atomes peuvent se comporter comme des
ondes et des particules à la fois. Très difficile à conceptualiser car il n'y a aucune référence physique d'un tel comportement à notre échelle de grandeur. De plus, la mécanique quantique propose des solutions mathématiques tellement complexes qu'il est difficile de les manipuler.

Par chance, l'invention de l'ordinateur viendra tout changer au milieu de ce même siècle.
L'ère « pré-nano » : la lumière au bout du tunnel ! Le défi est cependant de taille ! Comment manipuler ces minuscules briques dont les plus petites sont environ 500 000 fois plus petites que le diamètre d'un cheveu humain moyen ? Sûrement pas avec une paire de pinces. Il nous faut des outils à la fine pointe de la technologie pour manipuler les objets nanométriques.

L'invention de la microscopie à effet tunnel (ou STM, de l'anglais Scanning Tunelling Microscopy), durant les années 80, a permis de sonder la matière à une échelle comme jamais l'homme n'avait pu le faire auparavant. Grâce à une fine aiguille de tungstène placée à quelques nanomètres d'une surface, un courant (appelé « courant tunnel ») est généré en appliquant une tension entre la surface métallique à analyser et l'aiguille. De cette façon, on peut sonder la topologie de surfaces à des échelles aussi petites que le dixième de nanomètre.

Cependant, la grande lumière menant au boulevard des nanotechnologies est apparue grâce à l'initiative du Dr Eigler, à l'IBM Almaden Research Center. Le STM cachait une capacité autre que celle de sonder les structures nanométriques de la matière : déplacer des atomes.

En créant un vide quasi-parfait dans l'enceinte hermétique du STM et en abaissant la température de celle-ci à celle de l'hélium liquide (-270°C), il a su utiliser la pointe de cette aiguille pour pousser des atomes de xénon sur une surface métallique. Il a tellement bien su maîtriser son expérience qu'il a réussi à inscrire les lettres I-B-M en déplaçant ces atomes de xénon un à un.

Exemple d'une image STM représentant l'exploit du Dr Eigler: Il a réussi à placer des atomes de xénon un à un, afin de former les lettres "IBM"

C'était la première fois que l'on pouvait déplacer et placer des atomes individuels comme bon nous semblait. Ceci venait prouver, hors de tout doute, qu'il était possible de construire des objets nanométriques, atome par atome.

Le premier jeu de Lego atomique venait d'être inventé.