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Innover
Informer
Investir
Janvier 2014
2
KAMITIS est une société spécialisée en expertise scientifique, en
veille stratégique et technologique et en financement de
l’innovation.
Elle opère principalement auprès des entreprises innovantes mais
également auprès des structures institutionnelles.
KAMITIS réalise pour ses clients des états de l’art technologique,
des études de marchés et des analyses technico-économiques.
Elle les aide également à identifier et à obtenir les meilleurs
financements pour leurs projets.
Lyon
6 Place Bellecour
69002
Pour plus d'informations :
contact@kamitis.com - www.kamitis.com
3
Éditorial
Nanotechnologies : enjeux et opportunités
Expertise scientifique
Des nanodiamants pour le stockage d'énergie
Le nano-ordinateur
Dispositif à base de nanoruban pour alimenter un pacemaker
Financement
Les 4 mesures phares de la loi de finances 2014 pour les start-up et
entrepreneurs
L’investissement dans les PME en crise !
Intelligence économique
L ’apport de l ’Intelligence Economique au Renseignement et l’état
de la communauté de l’I.E. en France
La "dé-rafalisation" finale des relations France-Brésil
Focus
La nanométrologie comme levier de développement pour les entreprises
Par NICOLAS FELTIN & Thomas NAPPEZ
I3
Synthèse de nanoparticules en solution
Par STEPHANE DANIELE
Caractérisation de nanostructures
Par MAGALI PHANER-GOUTORBE
De l’élaboration à l’application en médecine
Par François LUX
De l’élaboration à l’application en nanophotonique
Par Fabrice CHARRA
Salon virtuel pour les nanotechnologies
Par Thomas NAPPEZ
Question commune
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Sommaire
4
Nanotechnologies : enjeux et opportunités
Les nanotechnologies ont ainsi été identifiées comme des « Key Enabling Technologies » (KET) au niveau
européen. Elles constituent donc un levier d‘innovation majeur dans de nombreux secteurs industriels,
pouvant apporter des réponses concrètes aux besoins de notre société : La préoccupation grandissante
pour l’environnement, la quête du meilleur rendement énergétique, la réduction de la consommation dans
un contexte de plus en plus énergivore, les inquiétudes face à la sécurité, à la gestion et au traitement de
l’information et des contenus, ou encore les questions de santé, devenues incontournables aujourd’hui.
Cette publication fait le point sur quelques recherches et applications dans ce domaine et résume les
enjeux, les opportunités ainsi que l’impact de ces développements sur notre futur :
Nicolas FELTIN, responsable de la plateforme CARMEN et Thomas NAPPEZ, co-fondateur et directeur
commercial de Nanothinking nous expliquent l’engouement actuel autour des nanomatériaux et le vaste
champ d’applications que l’on peut en attendre.
Stéphane DANIELE co-fondateur et directeur technique de la société Lotus Synthesis, nous parle de la
synthèse de nanoparticules en solution par procédé (Sol-Gel) suivant une approche soucieuse de la sécurité
et de l’environnement.
Magali PHANER-GOUTORBE, Professeure des Universités à l’Ecole Centrale de Lyon, nous présente ses
recherches basés sur la microscopie à force atomique (AFM) et visant la caractérisation, l’observation et la
mesure des propriétés physico-chimiques des nanomatériaux.
François LUX, chercheur au LPCML (Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux Luminescents), nous
démontre que c’est en médecine que la convergence entre nanotechnologies et biotechnologies prend tout
son sens. Ses travaux illustrent les efforts dans ce domaine et laissent présager de nombreux bénéfices.
Fabrice CHARRA, Responsable du LEPO (Laboratoire d'Electronique et nanoPhotonique Organique) et
directeur de recherche au CEA, nous décrit les efforts entrepris pour la conception et le développement de
nano-objets offrants des fonctions photoniques innovantes.
Bonne lecture,
Éditorial
Nous nous intéressons dans ce numéro au monde des nanotechnologies. Un
secteur stratégique qui présente un énorme potentiel économique. En
France, il est soutenu par un grand effort de recherche qui est principalement
le fait d’universités ou d’organismes publics. Très souvent, il s’agit de travaux
qui portent sur la compréhension des propriétés de la matière à l’échelle du
nanomètre mais également sur la réalisation de dispositifs. Ces travaux sont
appelées à redéfinir le contenu technologique de la plupart des secteurs
industriels.
Mais les nanotechnologies ne sont pas une simple étape de miniaturisation !
Elles se caractérisent très souvent par la mise en œuvre de nouvelles lois de
comportement qui dominent le fonctionnement du nano-objet.
Par Khaled Baaziz
Dirigeant de Kamitis
5
Des nanodiamants pour le stockage d'énergie
UMWELTnanoTECH est un projet réunissant de nombreux acteurs allemands de la recherche. Il vise à
produire des technologies nanométriques afin de mieux réussir la transition énergétique. Dans ce
cadre, le Centre de recherche énergétique appliquée de Bavière bavarois (ZAE) et l'Université de
Wurtzbourg (Bavière) étudient la possibilité d'enrichir des batteries à l'aide de ce que les chercheurs
appellent des "nano-diamants" pour améliorer leur efficacité. Le Ministère de l'environnement du
Land de Bavière soutient l'initiative à hauteur de trois millions d'euros.
Les prochaines générations d'appareils de
stockage d'énergie sont déjà développées. Elles
sont appelées "supercondensateurs". Ces
batteries disposent de nombreux avantages
comme, par exemple, une meilleure durée de
vie. Cependant des pistes d'amélioration sont
encore ouvertes et les chercheurs cherchent à
améliorer la capacité de ces
"supercondensateurs".
Pendant trois ans les chercheurs du ZAE et de
l'Université de Wurtzbourg vont étudier
l'introduction de nano-diamants dans les
électrodes. Il a en effet déjà été prouvé qu'un tel
ajout permettait d'améliorer la capacité des
condensateurs. L'objectif de ce projet sera de
comprendre quelles fonctions jouent
exactement les nanoparticules : sont-elles
actives ou jouent-elles un rôle de catalyseur?
Ces nanoparticules ont de plus un autre
avantage : leur coût est faible car elles font
partie des résidus produits lors de la fabrication
d'explosifs, par exemple.
Le nano-ordinateur
Une équipe composée de scientifique de l’organisation MITRE et de l’Université de Harvard ont conçu un
processeur, plus petit qu’un neurone humain, dont la densité irait au-delà de la fameuse loi de Moore.
Baptisé nanoFSM pour "nanoelectronic finite-state machine", ce processeur est composé de centaines de
transistors sous forme de nanofils organisés comme des tuiles qui servent de circuits.
Publiées dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences, les travaux présentent ce fameux
nano-ordinateur.
Expertise scientifique
6
Dispositif à base de nanoruban pour alimenter un pacemaker
John Rogers, professeur de science des matériaux et de l'ingénierie à l’université de l'Illinois, et son
équipe ont développé des dispositifs flexibles à base de nanorubbans permettant la récupération
d'énergie.
Le principe consiste à convertir le mouvement
d’une partie du corps (comme le cœur ou les
poumons) en énergie emmagasinée dans une
batterie qui pourrait être utilisée pour alimenter
les dispositifs implantables comme les
stimulateurs cardiaques.
Le dispositif développé par l’équipe est composé
de nanorubbans de PZT (Titano-Zirconate de
Plomb), d’un redresseur intégré et d’une batterie
rechargeable. Le tout est couvert d’une couche
de plastique biocompatible et flexible.
Grace à l’effet piézoélectrique, le dispositif qui
est cousu directement sur le cœur, les poumons
ou toute partie du corps en mouvement
constant, délivre suffisamment d’électricité pour
alimenter un stimulateur cardiaque ou tout autre
dispositif implantable dans le corps.
Les essais cliniques sur l’homme ne seront
envisagés qu’après avoir solutionné un certain
nombre de questions (effet de la suture sur des
organes importants, réaction du corps a cet
objet étranger, remplacer le plomb du PZT par
un élément non toxique mais aussi
performant…).
Figure : le dispositif (avec redresseur et micro-batterie)
monté sur un cœur de bœuf.
Sources :
http://idw-online.de/pages/de/news567627
www.mitre.org/news/press-releases/mitre-harvard-teams-ultra-tiny-nanocomputer-may-point-the-way-to-
further
http://www.pnas.org/content/early/2014/01/15/1317233111.short (doi: 10.1073/pnas.1317233111 )
http://phys.org/news/2014-01-team-implantable-piezoelectric-nanoribbon-devices.html#jCp
Crédit photo : Université de l’Illinois & de l’Université de l’Arizona
7
Financement
Les 4 mesures phares de la loi de finances 2014 pour les start-up et
entrepreneurs
L’extension du statut de jeune entreprise innovante, l’aménagement du crédit impôt recherche, le
PEA-PME et la hausse de l’abattement applicable aux plus-values de cession comptent parmi les
mesures clés de la loi de finances 2014, entrée en vigueur le 1er janvier.
La loi de finances pour 2014 publiée au Journal
Officiel du 30 décembre 2013, inclut quatre
mesures clés pour la fiscalité des entreprises et
des start-up.
1) Extension du statut de JEI :
Outil de soutien aux PME innovantes de moins
de 8 ans investissant au moins 15% de leurs
charges dans la recherche et développement, le
statut de jeune entreprise innovante (JEI), qui
devait prendre fin le 31 décembre 2013, a été
prorogé jusqu’au 31 décembre 2016. La loi 2014
prévoit une exonération de 100% des cotisations
sociales patronales pendant huit ans (alors que
celle-ci était dégressive auparavant). Cette
exonération a été étendue aux personnels
affectés à des activités d’innovation (conception
de prototypes ou installation de pilotes de
nouveaux produits).
2) Renforcement du CIR :
La loi de finances pour 2014 instaure un seul et
même régime de territorialité pour les dépenses
de protection des droits de propriété
intellectuelle éligibles au crédit impôt recherche
(CIR). Rappelons qu’afin de renforcer la
compétitivité des PME, ce dispositif a été étendu
à certaines dépenses d’innovation, hors R&D,
par la loi de finances de 2013.
3) Création du PEA-PME :
Nouvel outil, le PEA dédié au PME est plafonné à
75 000 euros. Sont éligibles au PEA-PME les
actions des PME et entreprises de taille
intermédiaire (ETI) cotées et non cotées, ainsi
que les obligations de PME et ETI selon un mode
indirect, via des parts de fonds. Le siège des
entreprises concernées doit être situé en France
ou dans un autre État membre de l’Union
européenne. Comme le PEA classique (plan
d’épargne en actions dont le plafond a été relevé
à 150 000 euros), le PEA-PME donne droit à une
exonération après 8 ans de la fiscalité sur les
dividendes et plus-values, hors prélèvements
sociaux.
4) Plus-values de cession :
La loi de finances 2014 maintient le principe de
l’imposition des plus-values de valeurs
mobilières au barème progressif après
application d’un abattement applicable à l’impôt
sur le revenu. Les titres détenus depuis moins de
2 ans ne sont pas concernés, tandis que les titres
de plus de 2 ans bénéficient d’un abattement de
50% et ceux détenus depuis plus de 8 ans d’un
abattement de 65%.
Ces abattements peuvent concerner également
les cessions de parts ou d’actions d’organismes
de placements collectifs (sicav/FCP). Ce régime
est applicable aux cessions 2013 et suivantes, les
anciens taux de 20%, 30% et 40% votés dans le
cadre de la loi de finances 2013 ne seront
finalement pas appliqués.
Parallèlement à ce régime général, un régime
alternatif concerne les dirigeants d’entreprise
appelés à céder des titres de sociétés de moins
de 10 ans. Le taux d’abattement a été fixé à 50%
si les titres cédés ont été détenus depuis plus de
1 an. Il passe à 65% lorsque les titres ont été
détenus plus de 4 ans, puis à 85% pour une
cession de titres détenus depuis plus de 8 ans.
8
L’investissement dans les PME en crise !
En 2012, près de 23,6 milliards d’euros (M€) ont été levés à des fins de capital investissement en Europe,
enregistrant ainsi une baisse de 43% par rapport à l’année précédente. Cette diminution est en partie
relative à la chute des levées de fonds supérieures à 250M€ en nombre (13 levées de fonds en 2012 contre
26 en 2011) et en volume (baisse de 25% sur la même période).
Plus résistant que la moyenne européenne, à 5 milliards d’euros en 2012, les montants des fonds levés sur le
marché français en 2012 diminuent de 22%.
La tendance hors levées supérieures à 200M€ est en revanche à la hausse (14 %), principalement sur les
opérations entre 100 M€ et 200 M€.
Les trois quarts des entreprises investies opèrent dans trois secteurs : l’industrie manufacturière, les
activités scientifiques et techniques et la communication. Ces secteurs ne comptent que pour un cinquième
des PME française !
Figure : le capital-investissement en France et en Europe (en milliard d’euros).
Sources :
www.silicon.fr/mesures-phares-loi-finances-2014-numerique-91826.html
www.bpifrance.fr/actualité/publication_etudes/etude_thematique
www.alternatives-economiques.fr/penurie-de-capital-investissement_fr_art_1281_66921.html
9
Intelligence économique
L ’apport de l ’Intelligence Economique au Renseignement et l’état de la
communauté de l’I.E. en France
L’IHEDN et l'AORL organisent une conférence le mardi 4 février 2014 dans les salons du Cercle de
garnison de Lyon, Quartier Général Frère 22, avenue Leclerc 69007 Lyon, sur le thème : « L’apport
de l’Intelligence Economique au Renseignement et l’état de la communauté de l’I.E. en France ».
Cette conférence sera donnée par Messieurs
Christian Harbulot, fondateur et directeur de
l’Ecole de Guerre Economique et Charles
Pahlawan, directeur-adjoint de l’EGE :
Depuis 1994, le Rapport Martre sur « l’intelligence
économique et la stratégie des entreprises »,
l’intelligence économique fait régulièrement l’objet
d’échanges, de réflexions de discussions, mais
aussi a vu émerger de nouveaux métiers et donc
de nouvelles formations.
Presque 20 ans après l’apparition au grand jour
d’un concept malgré tout ancien, l’intelligence
économique reste encore très assimilée au
renseignement économique. Qu’en est-il de
l’apport réel des concepts portés par l’intelligence
économique au renseignement et réciproquement.
L’apparition dans l’entreprise de nouveaux
métiers liés au traitement et à l’usage de
l’information a généré une nouvelle communauté
à la croisée du monde du renseignement, des
geeks et des communicants. Quel est l’état de
cette communauté ? Peut-on en tirer une
première typologie ?
La "dé-rafalisation" finale des relations France-Brésil
Le correspondant de l’académie de l’intelligence économique au Brésil, Frédéric Donier, par ailleurs Vice-
président de la Chambre de commerce Franco-Brésilienne à Sao Paulo, vient de publier une analyse
particulièrement percutante sur le feuilleton décrivant l’aventure du Rafale au Brésil.
Pour différencier son contenu de celui des nombreux articles de presse parus ces derniers jours, Frédéric
Donier est reparti de quelques actes concrets dont il a été le témoin oculaire avant d’analyser les erreurs
stratégiques de Dassault Aviation au Brésil et décrypter l’approche du lobbying suédois qui s’est révélé très
efficace.
Sources :
http://ihedn-rl-ar14.news.over-blog.com/article-intelligence-economique-etat-des-lieux-122029544.html
http://blogs.lesechos.fr/intelligence-economique/la-de-rafalisation-finale-des-relations-france-bresil-
a14008.html
10
Focus
La nanométrologie comme levier de développement pour les entreprises
Les nanotechnologies ont ainsi été identifiées
comme des « Key Enabling Technologies » (KET)
au niveau européen ou comme des
«technologies critiques » au niveau français,
elles constituent ainsi un levier d‘innovation
majeur dans de nombreux secteurs industriels.
Or, le passage de la phase de R&D à la phase
d’industrialisation constitue encore souvent un
défi technique et la métrologie joue un rôle
essentiel dans ce changement d’échelle
nécessaire au transfert industriel. Toutefois, les
activités de nanométrologie et de
nanocaractérisation sont trop souvent négligées
dans les projets de développement, notamment
par les PME qui ne disposent pas des ressources
matérielles et humaines pour bien adresser ces
questions.
Les industriels qui tentent de tirer parti de ces
propriétés nouvelles pour mettre au point des
produits innovants, doivent ainsi mettre en
place une instrumentation fiable, capable de
mesurer à l’échelle du nanomètre, pour établir
un « système qualité » permettant de
reproduire des nanomatériaux et des
nanodispositifs avec un haut degré de précision
et de répétabilité. Un rapport de la « Royal
Society & Royal Academy of Engineering »
conclut que la rupture technologique créée par
les nanosciences et nanotechnologies ne se
situe pas au niveau de la fabrication mais plutôt
« au niveau des outils utilisés pour observer et
mesurer les propriétés, et contrôler la
fabrication à l’échelle nanométrique ».
L’ensemble des acteurs impliqués dans ce
domaine émergent s’accorde sur le fait que le
développement d’une métrologie et d’une
instrumentation adaptée au domaine
nanométrique (1-100 nm) a un effet
«catalyseur» sur le développement global des
nanotechnologies. C’est ce que confirme
l’étude économique nationale réalisée par la
PNS en 2011 [7] sur l’ensemble de la chaîne de
valeurs des acteurs du domaine des
nanomatériaux qui implique les trois grandes
familles d’entreprise (synthèse, intégration,
utilisation) et qui fait ressortir en première
préoccupation un besoin en moyen de
caractérisation des substances.
Nicolas FELTIN
Responsable de la Plateforme CARMEN
Laboratoire national de métrologie et d'essais
nicolas.feltin@lne.fr
L’engouement actuel autour des
nanomatériaux et le vaste champ
d’applications que l’on peut en attendre
s’expliquent par la forte dépendance des
propriétés physico-chimiques des nano-
objets avec leurs dimensions et leur
morphologie. Ainsi, pour chaque propriété
fonctionnelle souhaitée (électronique,
magnétique, optique, mécanique…)
associée à une application particulière, il est
possible de concevoir « à la carte » un
nano-objet lui correspondant.
Thomas NAPPEZ
Cofondateur & directeur commercial
Nanothinking
thomas.nappez@nanothinking.com
11
Actuellement, la mesure à l’échelle du nanomètre se heurte à plusieurs difficultés :
i) Tous les mesurandes ne sont pas encore définis. Par exemple : quel(s) mesurande(s) pour définir la
forme d’une nanoparticule ?
ii) Il existe très peu de méthodes normalisées disponibles à ce jour. Ceci s’explique par la complexité de la
mesure à l’échelle du nanomètre.
iii) Les chaînes de traçabilité au système SI ne sont pas encore établies pour toutes les grandeurs
concernées. Le manque de traçabilité affecte la fiabilité de la mesure qui ne sera pas forcement
comparable entre les différentes méthodes utilisées ou entre différents laboratoires.
iv) Les méthodes de mesures dimensionnelles directement traçables au SI (microscopie électronique ou à
champ proche) sont extrêmement coûteuses, et souvent hors d’atteinte pour des PME. Mais les
techniques simples ou indirectes (mesure de paramètre équivalent) plus accessibles et plus faciles à
mettre en œuvre, cachent de nombreux biais de mesure et doivent être utilisées avec précaution. Une
technique indirecte correspond à la mesure d’un paramètre, comme la taille d’un nano-objet, en tirant
partie d’une de ses propriétés intrinsèques qui peut être liée à son volume, sa masse, sa vitesse de
sédimentation, sa mobilité électrique ou son coefficient de diffusion. Par conséquent, les mesures de
diamètre d’une nanoparticule provenant de différentes méthodes de caractérisation ne sont pas
forcément comparables : les instruments ne mesurent pas le même mesurande. Des méthodes de
mesure rigoureuses doivent être définies. Les notions de diamètre physique et diamètre équivalent
sont peu connues dans le secteur des PME et la confusion entraîne parfois des artefacts.
v) Il est souvent nécessaire de croiser les techniques de mesure pour obtenir un résultat fiable. Cette
démarche demande du temps et souvent une grande expertise.
vi) La très grande diversité des substances à caractériser. Les substances à l’état nanoparticulaire peuvent
être homogènes ou hétérogènes (du point de vue de la composition chimique). La forme prise en
compte peut être compacte, linéaire ou complexe. La substance peut être isolée ou nanostructurée
sous forme d’agrégats ou d’agglomérats. Celle-ci peut également être fonctionnalisée afin d’en
modifier les propriétés.
vii) L’échantillonnage est une étape clé de la mesure mais souffre d’un manque de formalisation et de
normalisation qui permettrait là encore de pouvoir comparer les études existantes.
Ainsi, l’usage des nanomatériaux est très présent
dans les activités à l’échelle de la R&D mais
souffre encore d’un trop faible transfert vers
l’industrie. L’étude du cabinet Développement
et Conseil sur « les réalités industrielles
françaises dans le domaine des nanomatériaux »
insiste sur le faible nombre de nouveaux
nanoproduits français (4/5 par an depuis moins
de trois ans) arrivés à maturité et
commercialisés par la suite. En effet le passage
de l’échelle du laboratoire à l’échelle industrielle
pose actuellement un problème. Une centaine
de PME déclarent avoir abandonné leur activité
dans le domaine des nanomatériaux car elles
n’ont pas réussi à retrouver les propriétés
fonctionnelles mises en évidence en laboratoire.
Les freins au développement du tissu
industriel des nanomatériaux en France,
identifiés par le même rapport, sont : (i) la
faisabilité industrielle (ii) la réglementation et
acceptabilité sociétale, et (iii) la structuration
de l’écosystème. Le manque d’outils
métrologiques fiables contribue aux deux
premiers freins et la nanométrologie est un
élément qui pourrait structurer la future filière
« nanomatériaux » en France. En outre, le
besoin en caractérisation, celui d’un
accompagnement dans la mise en place des
procédés de sécurité, ainsi que l’attente en
matière de toxicologie des nanomatériaux
sont les trois conclusions majeures de l’étude
économique nationale réalisée pour les
besoins de la PNS en 2011 [7].
12
Différentes familles de nano-objets
Par ailleurs, en France depuis le 1
er
janvier 2013
et bientôt d’autres pays européens, chaque
fabricant, importateur et distributeur doit
effectuer une déclaration (article L. 523-1) dès
lors qu’il produit, importe ou distribue au moins
100 g par an d’une substance à l’état
nanoparticulaire, en l’état ou contenue dans un
mélange sans y être liée ou de matériaux
destinés à rejeter cette substance dans des
conditions normales ou raisonnablement
prévisibles d’utilisation. Ce dispositif législatif a
pour but de mieux connaître ces substances et
leurs usages, de disposer d’une traçabilité des
filières d’utilisation, d’une meilleure
connaissance du marché et des volumes
commercialisés et enfin de collecter les
informations sur leurs propriétés toxicologiques
et éco-toxicologiques. Pour que le produit soit
concerné par le décret, il faut que la proportion
des nanoparticules présentes soit supérieure à
50 % de la distribution des tailles en nombre.
Un premier défi métrologique consiste à
évaluer cette proportion et beaucoup de PME
sont dans l’incapacité de réaliser une telle
mesure. En complément à ce décret, un arrêté
est paru au journal officiel daté du 10 août 2012,
pris en application des articles R. 523-12 et R.
523-13 du code de l’environnement. Le
fabricant, l’importateur ou le distributeur se
doit de mesurer un ensemble de paramètres
caractérisant la «nanosubstance» (taille des
nanoparticules, distribution en taille, état
d’agrégation/agglomération et forme). De plus,
cette mesure doit être obligatoirement
accompagnée d’une incertitude ainsi que d’une
description du protocole de mesure. L’état
cristallin, la surface spécifique et la charge en
surface doivent aussi être fournis par le déclarant,
s’ils sont disponibles. L’ensemble des
informations est envoyé chaque année à l’ANSES
qui a été mandaté par le MEDDE pour mettre en
place une base de données.
Obligation de déclaration des substances
à l'état nanoparticulaire
13
Or, les méthodes de mesure de référence ne
sont pas encore établies au niveau
international : il n’existe à l’heure actuelle ni
norme ni consensus concernant les techniques
de caractérisation à associer aux propriétés
recherchées. Un exemple de difficultés
concerne en particulier le paramètre « taille » :
différents protocoles peuvent exister suivant
que l’on parle de taille primaire, taille
hydrodynamique, taille aérodynamique… Ceci
illustre le fait que pour les nano-objets, les
descripteurs peuvent dépendre de
l’environnement de la particule et ne pas être
constants dans le temps. Cet exemple de la
taille illustre parfaitement les difficultés des
PME à appliquer la réglementation en vigueur
en ne disposant pas d’une solution clef en main
simple, fiable et à un coût raisonnable. Les
difficultés inhérentes à la mesure à l’échelle
nanométrique peuvent dans un avenir proche
entraîner deux types de problèmes. Tout
d’abord, certains industriels concernés peuvent
se sentir perdus face à des techniques de
mesure qui restent complexes même pour des
instituts nationaux de métrologie. Ensuite,
devant l’absence de protocoles normalisés, les
données récoltées par l’ANSES risquent d’être
sujettes à caution. L’objectif initial du décret qui
était de mettre en place une structure de
surveillance fiable des nanoproduits présents sur
le sol national ne pourrait ainsi être atteint.
Pour faire face à ces enjeux, citons plusieurs
initiatives nationales. Le développement de
plateformes technologiques, comme la PNS
(Plateforme NanoSécurité) du CEA et CARMEN
(CARactérisation MEtrologique des
Nanomatériaux) du LNE, vont notamment
permettre de mutualiser les instruments de
mesure et d’offrir un service compétitif aux
industriels. De plus, le Club nanoMétrologie
animé par le LNE et le C’Nano, qui compte à ce
jour 260 adhérents dont près de 20 % de PME,
contribue à la création d’un réseau de métrologie
dans le domaine des nanotechnologies et à la
fourniture des solutions métrologiques pour les
travaux de R&D et de normalisation et pour les
études toxicologiques et éco-toxicologique.
Enfin, le projet NanoMet, qui a commencé début
2014 et qui financé par la DGCIS, vise, d’une part,
à apporter aux PME les moyens
méthodologiques, métrologiques et techniques
nécessaires à l’optimisation de leurs procédés
mettant en œuvre des nano-objets et, d’autre
part, de les soutenir dans leur obligation
réglementaire de déclaration annuelle de leurs
substances à l’état nanoparticulaire
Sources :
[1] Rapport d’expertise collective, AFSSET, « Les nanomatériaux – Effets sur la santé de l’homme et sur
l’environnement », Juillet 2006.
[2] « Scientific opinion: the potential risks arising from nanoscience and nanotechnologies on food and feed
safety», The EFSA Journal, (2009), 959, 1-39.
[3] Journal Officiel de l’Union Européenne, C184E, 8 juillet 2010, p88. L’Union Européenne « demande
urgemment la mise au point de protocoles d'essai et de normes en matière de métrologie adéquats permettant
d'évaluer, sur la base d'une approche pluridisciplinaire, l'exposition des travailleurs, des consommateurs et de
l'environnement aux nanomatériaux et les risques liés à ces derniers, et ce durant l'intégralité de leur durée de vie, y
compris en cas d'accident ».
[4] F. Schrurs et D. Lison “Focusing the research efforts”, Nature Nanotechnology 7,546–548.
[5] D&Consultants, « Les réalités industrielles dans le domaine des nanomatériaux en France : analyse de la
réalité du poids des nanomatériaux dans la filière industrielle concernée », commandé par la DGCIS, 2011.
[6] « Technologies Clés 2015 » pour le compte du Ministère de l’Industrie, de l’Energie et de l’Industrie
numérique, 2011.
[7] A. Witomski et A. Raphaël, étude de marketing, Plate-forme Nanosécurité, décembre 2011.
14
I3
ce sont trois interrogations pour échanger avec un expert sur l'environnement
de l'entreprise.
Nous nous intéressons dans ce numéro au monde des nanotechnologies. Un secteur stratégique qui
présente un énorme potentiel économique. En France, il est soutenu par un grand effort de recherche
qui est principalement le fait d’universités ou d’organismes publics. Très souvent, il s’agit de travaux
qui portent sur la compréhension des propriétés de la matière à l’échelle du nanomètre mais
également la réalisation de dispositifs.
En Europe, la France est en troisième position après l’Allemagne (qui affiche un développement équilibré le
long de la chaîne de valeur) et l’Angleterre (en seconde position grâce à l’instrumentation et aux services).
La France est en troisième position grâce aux thématiques de l’électronique imprimée, des MEMS et de la
micro - fluidique. L’activité de services y est très faible.
D’après les statistiques de la société Nanothinking, l’écosystème français des nanotechnologies est
aujourd’hui constitué de :
100 industriels : tous les secteurs sont représentés (3M, Airbus, Renault, Saint-Gobain, L’Oréal,
BioMérieux, ST Microelectronics...)
150 centres de recherche : physique, chimie, matériaux, biologie, électronique...
150 start-up : des nanomatériaux bruts aux nanodispositifs
50 autres : pôles de compétitivité, juristes, toxicologues, associations, plateformes...
A travers le témoignage de nos experts, chercheurs et entrepreneurs, découvrons ensemble quelques
promesses du nanomonde.
nano_intermediates
Nano-enabled
products
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Nanomaterials
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France
I3
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La société Lotus Synthesis est un exemple de structure innovante qui fabrique et commercialise une
large gamme de suspensions nano chargées. Ces dispersions de nanoparticules dans des matrices
aqueuses ou solvantées sont destinées à être intégrées dans des formulations chimiques pour
revêtements, tels que les peintures et vernis, films optiques, textiles techniques ou cosmétiques, afin de
leur conférer des propriétés particulières.
Kamitis : En quoi consiste la technologie Lotus Synthesis, et quels sont ses atouts ?
S. DANIELE : Lotus Synthesis est spécialisée
dans la production de nanoparticules en
solution (par procédé Sol-Gel) suivant une
approche soucieuse de la sécurité (aucune
manipulation de nano-poudres sèches) et de
l’environnement (synthèse en phase liquide
principalement aqueuse).
La technologie développée au sein de notre
laboratoire passe par une approche
moléculaire : on part d’un précurseur
moléculaire puis on introduit la matière qui
permet de former et de fonctionnaliser la
surface des nanoparticules.
Par exemple, nous produisons des suspensions
d’oxydes avec des taux d’extraits secs de 20 à
30%. Comparé à ce qu’il y a sur le marché (avec
des taux allant de 1 à 2%), la différence est
notable.
Il y a deux intérêts principaux pour cette
technologie Lotus Synthesis :
- La sécurité : En effet, à partir d’un
procédé de chimie douce excluant la
manipulation de poudre sèche
potentiellement dangereuse, notre
technologie permet de fabriquer des
suspensions stables et transparentes,
directement dans le milieu d’intérêt du
client.
- La qualité des lots : Grâce à la synthèse
in-situ directement dans la matrice
(milieu d’intérêt du client), nous assurons
une dispersion homogène, stable et
transparente des nanoparticules en
minimisant les problèmes de
compatibilité lors des mélanges.
Synthèse de nanoparticules en solution
Stéphane DANIELE
Cofondateur & Directeur Technique de Lotus Synthesis
.
" Si nos premiers développements sont aujourd’hui sur le marché,
d’autres sont encore à venir. "
CONTACT: stephane.daniele@lotus-synthesis.fr
www.lotus-synthesis.fr
La technologie Lotus Synthesis permet de fabriquer des suspensions de
nanoparticules stables et transparentes, directement dans le milieu d’intérêt du
client, à partir d’un procédé de chimie douce ; suspensions qui seront utilisées
comme additifs pour des revêtements intelligents.
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Kamitis : Quelles sont les applications potentielles pour les nano-suspensions que vous synthétisez ?
S. DANIELE : La technologie Lotus Synthesis
permet entre autres d’apporter des fonctions :
anti-salissures, anti-UV, anti-abrasion, haut
indice de réfraction pour les verres
ophtalmiques, etc.
Nos nanoparticules dispersées sont
essentiellement utilisées dans les revêtements
transparents (généralement comme additifs
pour lasures et vernis).
Nous avons aujourd’hui, deux fonctions
qualifiées pour les vernis : la fonction anti-
salissures (procédé de photocatalyse), et l’anti-
UV (absorption UV A et UVB). Un exemple de
nos réalisations est le vernis anti-UV : c’est un
additif à base de TiO2 dopé Cérium qui permet
de protéger le vernis de l’attaque
photochimique. Nous avons développé un
polyuréthane extrêmement résistant aux UV qui
a été utilisé sur des logos de concessionnaires
automobile pour résoudre le problème de
desquamation du vernis. Nous avons ainsi pu
améliorer la durabilité du revêtement de
plusieurs années.
D’autres applications sont également en
développement, parmi les propriétés
recherchées: haut indice de réfraction, l’anti-
abrasion (un frottement doux qui fini par user la
pièce), antibactérien, le retardateur de flamme,
isolation thermique, anti-fouling (peinture pour
coques de bateaux), anti-odeur corporelle.
Kamitis : Comment envisagez-vous l’avenir de Lotus Synthesis en termes de stratégie ? Et quels sont
vos axes de développement à moyen et à long terme ?
S. DANIELE : Le développement de Lotus
Synthesis va passer par le développement de
nouvelles fonctions. Au-delà des applications
citées plus haut (question précédente), d’autres
applications sont en cours de réflexion ou de
développement dans le domaine des
revêtements, du renfort des matrices plastiques
ou encore des textiles fonctionnels.
Notre ambition est de devenir une société
industrielle et de proposer des additifs à des
formulateurs. Cela passe par la production de
gros volumes. Jusqu’à présent nous produisions
des volumes de 10 litres maximum, cette année
nous allons passer à des lots de 300 litres tout en
assurant une qualité identique de produits
faciles à manipuler et des lots reproductibles.
Une levée de fonds a été nécessaire pour
envisager la mise à l’échelle, et l’achat d’un
réacteur est programmé courant Q1 2014.
Nous sommes également en plein
développement commercial et cherchons à faire
connaitre nos produits et les applications
potentielles dans les différents secteurs
industriels.
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Après la synthèse des nanomatériaux, vient l’étape cruciale de la caractérisation. Les chercheurs
disposent aujourd’hui de moyens ultra perfectionnés pour observer les nanomatériaux et mesurer
leurs propriétés physico-chimiques. Magali Phaner-Goutorbe nous présente dans ce qui suit ces
recherches basées sur la microscopie à force atomique (AFM).
Kamitis : Le développement des techniques de caractérisation champ proche a largement contribué à
l’essor des nanosciences. Dans le cadre de vos recherches, vous travaillez au quotidien avec l’AFM.
Pouvez-vous nous présenter vos travaux de recherches ?
M. Phaner-Goutorbe : Après un doctorat sur
l'élaboration d'un microscope à effet tunnel
adapté au milieu liquide et quelques années à
travailler sur de alliages semi-conducteurs et
métalliques pour des applications en
optoélectronique et catalyse, je me suis orientée
vers l'étude par microscopie à force atomique
(AFM) de couches organiques semi-conductrices
et de biosystèmes tels que les puces à ADN, à
sucre... Aujourd'hui, je participe avec l'équipe à
un beau projet (ANR Glycomime 12-BSV5-0020-
01) qui vise à créer de nouveaux médicaments
pour vaincre la mucoviscidose. Les patients
atteints par cette maladie sont sensibles à une
bactérie pseudomonas aeruginosa qui vient se
fixer en particulier sur les cellules épithéliales des
bronches, se multiplie et finit par entraver la
respiration du patient conduisant à des
infections pulmonaires graves. L’idée
développée par le consortium qui travaille sur ce
projet est de bloquer l'adhésion de la bactérie en
introduisant des sucres synthétiques. Un des
moyens de fixation de la bactérie est par
l'interaction de protéines (appelées lectines)
présentes sur sa membrane et de sucres
présents sur la cellule. Si les sucres synthétiques
(glycoclusters) présentent une affinité plus
grande que les sucres naturels on peut imaginer
d'empêcher l'adhésion.
Ma participation consiste à utiliser l'AFM pour
observer les complexes sucres-lectines créés,
étudier leur arrangement géométrique (à
l'échelle du nanomètre) et mesurer les forces
mises en jeu dans cette interaction (à l'échelle du
nano ou picoNewton).
Kamitis : Quelle est l’importance des outils de caractérisation des nanomatériaux au niveau de la
recherche fondamentale mais aussi au niveau applicatif ?
M. Phaner-Goutorbe : En 1982 l'invention du
microscope à effet tunnel par G. Binnig et H.
Röhrer, prix Nobel de Physique en 1986 avait
pour objectif de visualiser de façon directe,
Caractérisation de nanostructures
Magali PHANER-GOUTORBE
Professeure des Universités / Directrice des Relations Internationales
Responsable du Master Nanoscale Engineering
Ecole Centrale de Lyon
.
" Le levier de l'AFM est un outil de choix pour déplacer
et manipuler des nano-objets "
CONTACT: magali.phaner@ec-lyon.fr
http://master-nano.universite-lyon.fr
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locale et à l'échelle atomique les reconstructions
de surface de semi-conducteurs telle que la (7x7)
de la face (1,1,1) du silicium par exemple.
L'objectif était à la fois de réaliser une étude
fondamentale, les premières observations dans
l'espace directe de l'arrangement des atomes sur
ces surfaces mais elles ont permis aussi de
développer et de contrôler les techniques
d'élaborations de nanostructures, nanofils,
nanodots à partir de ces surfaces. Le microscope
à force atomique inventé en 1986 par G. Binnig
et Quate, plus facile d’utilisation, (on peut faire
des observations à l'échelle nanométrique sur
n'importe quel type de matériaux et à l'air), est
un outil incontournable pour le développement
de nanosystèmes, l'étude de nanostructures.
Aujourd'hui, certains appareils commerciaux
permettent une cartographie moins précise mais
plus rapide d'échantillons larges et déjà prêts
pour le développement industriel.
Par ailleurs ces techniques sont constamment
développées, améliorées pour avoir accès à
d'autres informations sur les surfaces analysées,
propriétés mécaniques, chimiques, optiques
électriques... L'utilisation de l'AFM pour
l'observation de macromolécules biologiques
telles que l'ADN a pour objet de participer à une
meilleure connaissance de la biologie. Dans
notre cas, les résultats de nos mesures de forces
d'interaction nous permettront, je l'espère, à la
fois de participer à la découverte de nouveaux
médicaments mais aussi de mieux comprendre
les mécanismes biologiques mis en jeu dans les
interactions sucre-protéine de façon plus
générale et donc plus fondamentale.
Kamitis : Quelles sont les innovations futures concernant les techniques de caractérisations ?
M. Phaner-Goutorbe : Depuis leur invention,
ces techniques de champ proche n'ont pas
cessé d'être améliorées par les chercheurs pour
pouvoir satisfaire les besoins de caractérisation
des nanosystèmes.
Concernant l'AFM pour des applications
biologiques, pouvoir sans aucun doute mesurer
l'interaction entre 2 molécules semble être
possible dans un proche avenir, le
développement de l'ultrafast AFM par l’équipe
japonaise du prof T. Ando est extrêmement
encourageante pour étudier directement
l'activité biologique et le mouvement de
macromolécules in situ.
L'avenir me semble aussi dans le
développement de techniques de
caractérisation combinées, topographique et
chimique, c'est à dire AFM-RAMAN, AFM-IR...
ou à différentes échelles AFM-microscopie de
fluorescence...
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C’est certainement en médecine que la convergence entre nanotechnologies et biotechnologies prend
tout son sens. Les travaux de François Lux illustrent les efforts des chercheurs dans ce domaine et
laissent présager de nombreux bénéfices.
Kamitis : Les nanoparticules ont ouvert des perspectives nouvelles en médecine et notamment en
oncologie aussi bien en diagnostic qu’en thérapeutique. Pouvez-vous nous parler de vos travaux de
recherche dans ce domaine et les applications visées?
F. LUX : Depuis 2004, l’équipe à laquelle
j’appartiens travaille en partenariat étroit avec la
société Nano-H sur le développement de
nanoparticules multimodales (c’est-à-dire
pouvant intégrer plusieurs fonctionnalités
d’imagerie ou de thérapie) pour des applications
biomédicales.
Notre grande originalité à été de proposer des
particules hybrides à base de gadolinium de très
petite taille. De par leur structure et
composition, nous avons réussi à obtenir des
propriétés extrêmement intéressantes,
combinant une action d’agent de contraste IRM
avec des effets radiosensibilisants : augmentant
ainsi l’action curative des traitements
radiothérapeutique.
Même si nous travaillons sur plusieurs types de
pathologie, c’est en oncologie que nos travaux
sont les plus avancés. Pour cette application, la
nanoparticule (AGuIX®) que nous développons
est de très petite taille (inférieure à 5 nm) et est
basée sur une matrice de polysiloxane (un dérivé
de la silice) et entourée de molécules organiques
(chélates) permettant d’intégrer des ions
métalliques dont le gadolinium utilisé
actuellement comme agent de contraste IRM.
Cette approche peut également être combinée
avec un marquage par des isotopes radioactifs
pour des applications en scintigraphie. La faible
taille des nanoparticules permet leur élimination
par les urines et évite ainsi une trop longue
rétention dans le corps comme cela a été montré
par de nombreuses études sur rongeurs. De plus,
ce type de nanoparticules a été injecté dans de
nombreux animaux porteurs de tumeurs et une
accumulation dans la tumeur par des
mécanismes passifs a pu être observée à chaque
fois. Cette accumulation est due au fait que la
néovascularisation au niveau de la tumeur est
rapide et anarchique, rendant les néovaisseaux
plus poreux et laissant ainsi le passage aux
nanoparticules.
De l’élaboration à l’application en médecine
François LUX
Maitre de conférences
L’institut lumière matière (ILM), Lyon
" Les nanotechnologies sont une avancée radicale qui repousse
les limites des technologies actuelles"
CONTACT: francois.lux@univ-lyon1.fr
www.ens-lyon.fr/CHIMIE/
20
Nous avons pour le moment deux types de produit très aboutis pour lesquels nous cherchons des
financements afin de démarrer une phase clinique :
Plusieurs collaborations avec des centres cliniques sont en cours pour des études pré-cliniques, en
particulier les CHU de Lyon et Grenoble, l’Hopital Gustave Roussy à Paris et enfin aux Etats Unis, la Harvard
Medical School à Boston. Nous cherchons à commencer les phases cliniques chez l’homme. Les pathologies
prioritaires sont pour le moment les gliobastomes - métastases cérébrales, les cancers du poumon à petites
cellules et enfin le traitement des tumeurs têtes et cou.
Kamitis : Quelles sont les caractéristiques que vous recherchez en développant vos nanoparticules (ou
en développant ce produit)?
F. LUX : En nanomédecine, le développement
d’un agent théragnostique nous pousse à
regarder plusieurs aspects en priorités :
l’efficacité attendue thérapeutique
radiosensibilisante, l’efficacité en agent de
contraste IRM, les biodistribution et le
comportement in vivo des produits, la stratégie
d’application.
Enfin, il faut toujours avoir à l’esprit, le gain à
attendre par rapports aux traitements actuels à
base de molécules conventionnelles le cas
échéant.
Lorsque nous développons un produit, nous
cherchons toujours à rester le plus proche
possible de l’application visée.
I
Les nanoparticules AGuIX® sont des agents de
contraste IRM mais possèdent également un
pouvoir radiosensibilisant. C’est-à-dire qu’elles
peuvent être utilisées en radiothérapie afin de
potentialiser les effets de ce traitement. De
manière simplifiée, on peut dire que les
nanoparticules interagissent avec les
rayonnements utilisés en radiothérapie pour
former des espèces très nocives pour les cellules
telles que des radicaux, des électrons… Ces
propriétés radiosensibilisantes permettent de
vaincre la radiorésistance de certaines tumeurs
mais également en augmentant l’efficacité de la
radiothérapie d’obtenir un effet équivalent avec
une dose moindre ce qui permet de limiter les
effets secondaires délétères d’un traitement.
L’un des intérêts majeurs des nanoparticules
proposées est de pouvoir visualiser la tumeur
par IRM préalablement afin de pouvoir adapter
le traitement ensuite à chaque patient. Cette
technologie s’inscrit dans le cadre de la
médecine personnalisée envisagée pour
l’hôpital de demain.
II
Le deuxième produit que nous développons est
relativement similaire à celui précédemment
décrit si ce n’est que dans ce cas certains des
chélates entourant la nanoparticule sont laissés
libres d’accueillir un isotope radioactif émetteur
de positon. Ce marquage radioactif permet
d’utiliser la nanoparticule en scintigraphie TEP
(Tomographie par Emission de Positons).
L’intérêt principal de ce produit est de pouvoir
réaliser un agent de contraste bimodal pouvant
servir à la fois en scintigraphie et en IRM. Le
développement de cette nanoparticule est lié
au besoin émergent d’agents de contraste
possédant ces deux types de propriétés étant
donné que les constructeurs viennent de lancer
sur le marché tout une gamme d’appareillages
pouvant réaliser ces deux imageries en
simultanée. L’intérêt étant de bénéficier des
avantages des deux imageries (sensibilité pour
la scintigraphie et résolution pour l’IRM) avec
une bonne corrélation spatiale et temporelle.
21
Au préalable, cela impose bien entendu d’avoir
des composés qui soient compatibles avec les
conditions biologiques et une application
future : dispersion dans l’eau, stabilité en milieu
physiologique, possibilité de synthèse en
grandes quantités… Ces contraintes peuvent
parfois se révéler frustrantes, le but n’étant pas
de développer le matériau avec les meilleures
caractéristiques physico-chimiques mais bien
en premier lieu celui qui possède de bonnes
caractéristiques mais en respectant les
contraintes physiologiques.
Ceci implique également un dialogue
approfondi en amont avec nos partenaires
biologiques afin d’éviter de se poser de fausses
questions et également un effort constant afin
de mieux percevoir leurs contraintes et leurs
demandes. Il faut également étudier l’état de
l’art afin de ne pas développer un produit pour
une pathologie pour laquelle des produits
existants donnent déjà une réponse
satisfaisante.
Kamitis : Pouvez-vous nous parler de ce projet que vous portez dans le cadre de cette collaboration
avec la société nano-h ?
F. LUX : Nous travaillons avec la start-up Nano-
H depuis 2004 date de sa création. Nano-H a été
créée par le professeur Olivier Tillement de
l’Institut Lumière Matière (ex LPCML à l’époque)
et par le professeur Pascal Perriat du laboratoire
MATEIS. Depuis cette date, le laboratoire et
Nano-H travaillent de manière extrêmement
étroite sur les applications biomédicales des
nanoparticules. Les premiers travaux ont été
menés sur un autre type de nanoparticules
breveté en 2004. Ces nanoparticules étaient
constituées d’un cœur d’oxyde de gadolinium et
entourée d’une couche de polysiloxane sur
laquelle étaient greffées des biomolécules. De
nombreuses publications ont été proposées avec
ces nanoparticules originales et notamment les
premières études de radiosensibilisation
montrant l’intérêt des nanoparticules de très
petites tailles à base de gadolinium pour la
radiosensibilisation. Cette application réalisée
en présence de nanoparticules ultrafines a été
breveté en 2007. Néanmoins même si aucune
mesure ne montrait de relargage du gadolinium,
plusieurs partenaires s’inquiétaient de la nature
du cœur d’oxyde de gadolinium et craignaient
un relargage d’ions gadolinium dans le corps.
Afin de parer à cette éventualité et pour
augmenter la dispersion de nos nanoparticules,
nous les avons entourées de chélates déjà
utilisés commercialement comme agents de
contraste IRM. Nous avons alors eu la surprise de
voir que cette manipulation donnait naissance à
une nouvelle nanoparticule ; les chélates
emprisonnent les ions gadolinium du cœur
entrainant sa dissolution et la formation de
nanoparticules faites de polysiloxane et de
chélate de gadolinium. La synthèse de cette
nanoparticule que nous avons nommé AGuIX® a
été brevetée en 2010. Depuis avec nos différents
partenaires, nous avons pu valider l’intérêt de
ces nanoparticules comme agents de contraste
RM/fluorescent/Scintigraphie pour la
visualisation de différents types de tumeurs : du
cerveau, du poumon, tête et cou… En parallèle,
des tests de radiosensibilisation ont été menés
avec différentes équipes en France (Hôpital Lyon
Sud, Institut Curie, Ligne médicale de l’ESRF…)
ou à l’étranger (Harvard medical school, Queen’s
university Belfast) afin de valider l’effet
radiosensibilisant et d’étudier plus précisément
les mécanismes mis en jeu. La preuve de
concept a maintenant été faite sur plusieurs
modèles et la société Nano-H et le laboratoire
désirent maintenant préparer une phase clinique
sur la radiosensibilisation guidée par IRM pour le
gliome et pour les tumeurs pulmonaires. Le
procédé de fabrication a été optimisé et de
larges quantités de nanoparticules sont
maintenant synthétisables. Un procédé de
fabrication par voie GMP a été mis en place et
devrait bientôt être mis en application. Des
études de toxicologie pré-réglementaires
montrent une toxicité extrêmement faible des
nanoparticules in vitro et in vivo.
Afin de pouvoir préparer au mieux le passage en
phase clinique, le laboratoire et la société Nano-
H cherchent à lever des fonds pour procéder à la
synthèse du lot final et aux études de toxicologie
réglementaires
22
Les spécialistes sont unanimes : les appareils électroniques seront de plus en plus discrets, mais
énergivores, avec des fonctionnalités plus étendues et des capacités de stockage impressionnantes.
C’est aussi ce que nous assure Fabrice Charra qui nous décrit les efforts entrepris pour la conception et
le développement de nano-objets offrants des fonctions photoniques innovantes.
Kamitis : La nanophotonique s’accompagne de progrès techniques majeurs. Graver des pistes de
quelques nanomètres de largeur ou réaliser des composants électroniques à partir de nano-objets,
c’est aujourd’hui une réalité. Pouvez-vous nous présenter vos travaux de recherche dans ce domaine ?
F. CHARRA : Le phénomène de diffraction des
ondes empêche leur focalisation dans des spots
de dimensions inférieures à une fraction de
longueur d’onde (la longueur d'onde de la
lumière visible se situe entre 400 et 700nm).
Cette barrière de diffraction de la lumière est
d’ailleurs à l’origine de la définition des
nanotechnologies : la photolithographie ne
permettant plus de graver les motifs de plus en
plus petits requis par les progrès de
l’électronique, des technologies alternatives
doivent être mises au point pour cela.
Parallèlement au développement de techniques
utilisant d’autres faisceaux que la lumière
(électrons, ions, …), des recherches visant à
contourner cette barrière de diffraction se sont
développées. Aujourd’hui il apparaît qu’il est
possible de concevoir des nano-objets
métalliques capables de jouer pour la lumière le
rôle que jouent les antennes radio pour les
ondes hertziennes : concentrer l’énergie
lumineuse dans un volume de dimensions bien
inférieures à la longueur d’onde. Ce domaine
est appelé plasmonique en référence aux
mouvements du plasma d’électrons du métal.
De tels objets, et leur combinaison avec divers
milieux actifs, ouvrent de nombreuses
perspectives tant fondamentales
qu’appliquées, qui constituent mon domaine de
recherche.
Plus précisément, on pourrait utiliser les spots
lumineux nanométriques ainsi réalisés pour la
fabrication par nano-lithographie optique, mais
selon les mêmes principes, pour lire ou écrire de
très fortes densités de données : après les CD,
les DVD puis les Blu-ray, évolution basée sur la
réduction de la longueur d’onde utilisée, la
prochaine génération pourrait être plasmonique.
La réalisation de sondes optiques
nanométriques permettrait aussi d’exploiter la
richesse de diagnostic qu’offre la lumière,
spectroscopie d’absorption, de luminescence,
analyse temporelle ultra-rapide, … pour analyser
les matériaux avec des résolutions encore
inégalées.
L’aptitude de ces nano-antennes à capter la
lumière pour la concentrer en un point pourrait
aussi être exploitée dans le domaine des
cellules solaires photovoltaïques.
De l’élaboration à l’application en nanophotonique
Fabrice CHARRA
Directeur de Recherche CEA
Service de Physique de l'État Condensé (SPEC)
Laboratoire d'Electronique et nanoPhotonique Organique (LEPO)
" Les nanotechnologies constituent plus une évolution
technologique continue qu’une révolution technologique "
soudaine. "
"
CONTACT: fabrice.charra@cea.fr
www.ens-lyon.fr/CHIMIE/
23
C’est plus particulièrement le cas pour les
cellules polymères en films minces (OPV), dans
lesquelles le volume actif autour de la jonction
électronique est très restreint du fait de la faible
mobilité des porteurs de charges : la
plasmonique permet de localiser l’excitation
optique dans ces zones actives. Comme toutes
les antennes, les antennes plasmoniques
fonctionnent en émission ou en réception. Les
mêmes principes permettent donc améliorer les
rendements des diodes électroluminescentes,
en particulier organiques (OLED).
A beaucoup plus long terme, la réalisation de
guides de lumières plasmoniques et leur
combinaison avec des milieux émetteurs de
lumière, modulateurs, etc. permettent
d’envisager la naissance d’une réelle nano-
optique intégrée. Nous travaillons par exemple à
la réalisation de nano-lasers, un sujet de
recherche actuellement très actif !
Kamitis : Quelles sont les caractéristiques que vous recherchez en développant vos nano-objets ?
F. CHARRA : Bien entendu, la première
caractéristique des objets que nous étudions est
leur taille. S’agissant ici de confiner les photons,
les dimensions contrôlées doivent être
inférieures à la longueur d’onde optique, soit de
l’ordre ou inférieures à la centaine de
nanomètres. Ainsi, même si les dimensions
« hors-tout » des nano-antennes peuvent
atteindre le micromètre, afin d’assurer, par
exemple, un rayonnement optimal, elles
contiennent des motifs, notamment au niveau
des points chauds où la lumière est censée se
concentrer, dont la taille peut descendre à une
dizaine de nanomètres.
Notez que d’autres laboratoires s’intéressent
plutôt au confinement des électrons dans des
matériaux semi-conducteurs (confinement
quantique) ; les tailles à considérer sont alors
plutôt de l’ordre du nanomètre.
Par ailleurs, la qualité des « points chauds »
obtenus dépend de manière cruciale de la
précision de la géométrie obtenue. Une rugosité
incontrôlée en surface peut fortement modifier
les propriétés obtenues, par rapport à celles
attendues à l’issue des optimisations par
modélisation des champs électromagnétiques
(FDTD par exemple).
La principale difficulté est cependant la
réalisation des systèmes hybrides, combinant
des matériaux plasmoniques (métaux tels que
l’or, le cuivre, l’aluminium) est des milieux
photoniques actifs, tels que semi-conducteurs,
molécules organiques absorbantes ou
fluorescentes, etc. Enfin, pour certaines
applications, il est nécessaire de positionner ces
nano-objets les uns par rapport aux autres, par
exemple pour former des réseaux périodiques.
Les méthodes de fabrication que nous utilisons
pour cela sont issues des deux grandes
familles :
- les méthodes descendantes (dites « top-
down ») consistant à graver des matériaux pour
former des motifs nanométriques,
- les méthodes ascendantes (dites « bottom-
up ») consistant à assembler des objets de taille
moléculaires selon une géométrie définie et bien
contrôlée pour former des objets complexes plus
gros, structurés à l’échelle moléculaire.
Figure : Cartographie de la concentration de lumière par une
nano-antenne optique éclairée par un faisceau laser (longueur
d’onde : 800nm). L’intensité lumineuse est représentée en
échelle de gris et la géométrie de la nano-antenne en or est
superposée en jaune. Sa largeur est de 40nm et son épaisseur est
de 30. Elle est déposée sur un substrat ITO transparent et a été
réalisée par lithographie électronique à l’Université de
Technologie de Troyes. La mesure a été faite au laboratoire de
nanophotonique du CEA à Saclay, par une technique basée sur la
photoémission d’électrons. Une augmentation d’intensité d’un
facteur supérieur à 10 est observée dans l’entrefer de l’antenne.
24
En attendant d’utiliser des nano-antennes
plasmoniques pour réaliser nos objets d’étude
par nano-lithographie, nous utilisons des
techniques de nanofabrication top-down
classiques dans le cadre de collaborations avec
des laboratoires partenaires : lithographie
électronique (type lift-off, avec MINATEC à
Grenoble, ou le LNIO, à l’Université de
Technologie de Troyes), faisceau d’ion focalisé
(FIB, avec le Laboratoire photonique et
Nanostructures à Marcoussis).Parallèlement,
pour nos propres besoins de nanofabrication,
nous développons des méthodes bottom-up
d’auto-assemblage moléculaire, en
collaboration avec des équipes de synthèse
organique (LCP à l’Université Pierre et Marie
Curie, et ITODYS à l’Université Paris-Diderot).
Ces techniques consistent à concevoir des
briques de construction moléculaires capables
de s’assembler spontanément entre elles par
reconnaissance moléculaire pour former un
réseau organisé. Ce réseau peut faire partie de
l’objet réalisé ou être utilisé comme masque
pour la croissance d’autres nano-objets.
Certains laboratoires utilisent même l’ADN
pour réaliser de tels auto-assemblages dont la
géométrie est imposée par la séquence des
bases ACGT (techniques dites d’origami ADN).
Kamitis : Quelles sont les applications visées?
F. CHARRA : Bien que tous basés sur les mêmes
principes physiques que j’ai décrits
précédemment, nos projets de recherche visent
des domaines d’application très variés. Ils sont
donc menés avec de nombreux partenaires issus
des différentes communautés scientifiques ou
technologiques intéressées dans chaque cas.
Nous développons par exemple des sondes
biologiques. Nous avons breveté récemment des
systèmes de marquage de l’ADN utilisable pour
les nouvelles techniques de microscopie 3D des
biologistes (microscopie de fluorescence
multiphotonique). Ces sondes ne deviennent
fluorescentes et donc visibles au microscope,
que lorsqu’elles s’attachent à l’ADN. Ces
développements sont menés en collaboration
avec l’Institut Curie (Orsay) et intéressent les
fabricants de bio-marqueurs. Les études de
cytotoxicité sont en cours en vue d’utilisation in-
vivo.
Un autre exemple d’application à court terme est
la réalisation de nano-capteurs optiques formés
en extrémité de pointes de microscopes à force
atomique (AFM). Ces capteurs sont basés sur un
processus d’optique (effet non-linéaire de
génération de second harmonique) permettant
l’obtention d’une source de lumière très
localisée, venant exciter la surface pour
l’analyser ou même la modifier localement. La
réalisation de ces objets, dont le principe a été
breveté, est menée en collaboration notamment
avec une entreprise fabriquant et
commercialisant des AFM et les sondes
(cantilever) associées.
Figure : Image 3D de cellules biologiques (CHO-K1) fixées au cours de
la mitose, obtenue par microscopie de fluorescence multiphotonique.
L’ADN a été marqué par le label développé en collaboration entre
l’institut Curie à Orsay et le laboratoire de nanophotonique du CEA /
Saclay, de façon à isoler l’image des chromosomes.
Plus de détails, voir : http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja404422z
Parmi les applications à plus long terme, je peux
citer le développement de nano-lasers, mené en
collaboration avec le LNIO, à l’Université de
Technologie de Troyes, où l’exploitation de nos
techniques d’auto-assemblage pour réaliser des
nano-plots magnétiques pour le stockage
d’information à très haute densité, en
collaboration avec des équipes de chimie
organique et de matériaux magnétiques à
l’Université Pierre et Marie Curie.
Comme vous le voyez, les nanosciences et
nanotechnologies constituent des domaines de
recherche extrêmement pluridisciplinaires !
25
Positionnée à l’interface des différents acteurs de l’écosystème des nanotechnologies, Nanothinking
est une société française de conseil en innovation spécialisée dans les nanotechnologies. Associant des
compétences techniques en nanosciences et une compréhension des enjeux industriels, Thomas
Nappez nous explique sa vision du domaine des nanotechnologies.
Kamitis : Comment définissez-vous le positionnement de NanoThinking dans la sphère de l’innovation?
T. NAPPEZ : Créée par trois ingénieurs-
docteurs, NanoThinking offre des services
spécifiques et adaptés à chacun de ses clients,
industries, académiques et institutionnels.
Les principaux services que nous développons et
commercialisons concernent le support à la
coordination et à la gestion de projets de
recherche collaboratifs, la mise place de cellule
de ressourcement technologique chez les grands
groupes industriels, et l’animation du premier
salon en ligne des start-up et PME innovantes
impliquées dans les nanotechnologies.
C’est précisément grâce à ce positionnement en
lien avec l’ensemble des acteurs impliqués dans
les nanotechnologies, que nous sommes
aujourd’hui en mesure de fournir une vision
claire et globale des bonnes stratégies à adopter
vis-à-vis des enjeux et des opportunités offerts
par les nanotechnologies.
Les nanotechnologies ont la particularité d’être
un point de rencontre entre différentes
disciplines scientifiques. Prenons l’exemple
d’une puce électronique permettant de
déterminer en quelques minutes la présence ou
l’absence du virus du sida dans le sang. La
réalisation de cette puce nécessite une
démarche pluridisciplinaire incluant des
compétences fortes en physique, en chimie, en
biologie et dans les techniques de fabrication
issues de la microélectronique.
Afin de faciliter les collaborations industrielles,
nous avons créé le premier salon en ligne dédiée
aux nanotechnologies, la NanoTechMap, où
chaque entreprise peut présenter en quelques
clics ses produits et ses offres afin de gagner en
visibilité et d’accéder plus rapidement à son
marché.
Kamitis : NanoTechMap, la carte interactive des nanotechnologies, aura bientôt un an. Pouvez-vous nous
parler de cet outil?
T. NAPPEZ : La NanoTechMap est le premier
salon virtuel dédié aux nanotechnologies. Elle
est accessible directement en ligne et est la suite
naturelle de la version française que nous avions
réalisée en février 2013. Elle en reprend
l’ergonomie, une cartographie interactive et
collaborative des entreprises, mais l’élargit à
l’international et comporte des outils de filtre et
de recherche afin d’identifier très rapidement
ses futures meilleurs clients, fournisseurs et
partenaires.
Salon virtuel pour les nanotechnologies
Thomas NAPPEZ
Cofondateur & directeur commercial
Nanothinking
" Les nanotechnologies : un nouveau paradigme"
CONTACT: thomas.nappez@nanothinking.com
https://www.nanothinking.com/
26
Près de 4000 sociétés sont déjà enregistrées sur
ce salon et nous avons chaque jour de nouveaux
inscrits ! Cet écosystème riche est
principalement réparti entre l’Europe et les
Etats-Unis. Notre couverture de l’Asie, encore
faible aujourd’hui, est en pleine évolution avec
des partenariats noués avec nos homologues
locaux.
Kamitis : Quel bilan faites vous concernant l’écosystème des nanotechnologies en France et dans le
monde ?
Concernant l’Europe, l’Allemagne et la Suisse
arrivent en pole position en termes de
concentration technologique. La France est en
quatrième position au classement derrière le
Royaume-Uni grâce à une forte activité dans les
nano-capteurs et les nanosystèmes. Elle est
particulièrement bien positionnée sur les sujets
de l’électronique imprimée, des microsystèmes
électromécaniques (MEMS) et de la
microfluidique. En revanche, les domaines des
services liés aux nanotechnologies et de
l’instrumentation associée à la nanofabrication
et la nanocaractérisation sont peu développés
comparativement à nos voisins.
Question commune :
Kamitis : D’après vous, quels sont les enjeux et les défis que les nanotechnologies pourrons relever
demain ?
Stéphane DANIELE : Les nanotechnologies
présentent des enjeux multiples qui se
manifestent à tous les niveaux (scientifiques,
économiques et sociétaux). Devant ces défis
majeurs, la France peut se prévaloir de forces
reconnues internationalement : des équipes de
recherches pluridisciplinaires, des bataillons de
physiciens, chimistes, électroniciens,
informaticiens… mettent toute leur énergie dans
des domaines innovants, porteurs de nouveaux
secteurs applicatifs et d’excellence.
Dans cette aventure audacieuse, c’est l’étape de
la valorisation qui est la plus délicate. En effet, le
passage du laboratoire à l’industrialisation puis à
la commercialisation reste particulièrement
difficile. Et comme dans tous les secteurs où l’on
ouvre de nouvelles possibilités, il faut être
vigilant. La déclaration de nanoparticules (voir
focus) imposée depuis janvier 2013 a été pensée
dans cette optique là.
Le problème c’est que ces déclarations, qui ont
pour but d’assurer une traçabilité des
nanoparticules, dissuadent certains industriels à
tenter l’aventure nano et donc ralentissent le
développement de pas mal d’acteurs de ce
marché.
Depuis mars 2011, je me suis lancé dans
l’aventure entrepreneuriale afin de valoriser un
savoir-faire rare en ingénierie moléculaire et de
transformer les brevets en une source de valeur
et une source de création d’emplois.
Le marché des nano est encore très peu mature.
A cause de difficultés de manipulation,
d’intégration et de formulation, il y a très peu de
sociétés qui utilisent aujourd’hui les nano dans
les revêtements par exemple. Mais la
technologie développée par Lotus Synthesis est
riche de promesses! Si nos premiers
développements sont aujourd’hui sur le marché,
d’autres sont encore à venir.
27
François LUX : On assiste depuis un certain
nombre d’années à une explosion du nombre de
recherches menées sur les nanotechnologies et
ce en particulier dans le domaine de la
médecine. Ces recherches ont donné lieu à de
nombreuses publications en raison des
caractéristiques très séduisantes des
nanoparticules. On peut citer entre autres
l’accès à de nouvelles propriétés qui
apparaissent à l’échelle nanométrique (optiques
pour les boîtes quantiques ou les nanoparticules
d’or ou magnétiques pour les nanoparticules
d’oxyde de fer), ou encore la possibilité de se
servir de la nanoparticule comme d’une
plateforme sur laquelle il est possible d’ajouter
un grand nombre de fonctionnalités
complémentaires et enfin la possibilité de
contrôler le devenir de la nanoparticule en
jouant sur sa forme, sa taille ou encore en
ajoutant des biomolécules à sa surface.
Néanmoins malgré ces caractéristiques
attractives, pour le moment on ne voit encore
que très peu de nanoparticules sur le marché en
comparaison du nombre de publications qui
sortent sur le sujet. Pour le moment, on
dénombre surtout différents types de
nanocapsules (micelles, polymères, liposomes…)
pour la délivrance de médicaments ou les
nanoparticules d’oxydes de fer comme agents
de contraste négatifs en IRM. Finalement la
plupart des nanoparticules sur le marché
actuellement sont des nanoparticules
organiques souvent composées de sous-produits
déjà présents dans le corps pour limiter leur
toxicité. La composante inorganique d’une
nanoparticule est souvent un frein car lorsque les
métaux ne peuvent pas être métabolisés comme
c’est le cas du fer, une élimination totale et
rapide des nanoparticules semble indispensable.
C’est sans doute là que les nanoparticules
inorganiques d’une taille inférieure à 10 nm ont
leur rôle à jouer car elles bénéficient de cette
élimination tout en pouvant inclure un grand
nombre de fonctionnalités permettant de les
envisager comme agent de contraste bimodal
ou pour le théranostic : concept issu de la
contraction de thérapie et diagnostic qui
consiste à profiter des propriétés d’agent
d’imagerie de la nanoparticule pour donner un
diagnostic qui permettra la détermination d’un
traitement adapté au patient. Notamment dans
notre cas, le rôle de l’étape d’IRM est de
déterminer le meilleur moment pour lancer la
radiothérapie, c’est-à-dire le moment où la
concentration en nanoparticules est maximale
dans la tumeur et minimale en dehors.
Les premières expériences sur rats porteurs de
gliome réalisées en décalant le temps de
l’irradiation après l’injection des nanoparticules
montrent que l’on obtient une bien meilleure
efficacité du traitement lorsque l’on s’est assuré
qu’il n’y a plus de nanoparticules dans la zone
saine au moment de l’irradiation validant cette
approche theranotisc. D’un point de vue
mécanistique, les théories conventionnelles
d’augmentation de dose semblent maintenant
obsolètes au regard des nouveaux phénomènes
observés. Ceci ouvre des perspectives
considérables pour l’amélioration des
traitements de radiothérapie (actuellement près
d’un patient sur deux atteint d’un cancer et
soumis à un traitement de radiothérapie).
Fabrice CHARRA : Les nanotechnologies ont
déjà des applications, parfois anciennes ! On les
trouve même dans la nature : les couleurs des
ailes de papillons, les facultés d’accroche des
pattes de geckos, exploitent les propriétés liées
aux échelles nanométriques. Les couleurs des
vitraux sont également dues aux propriétés de
nanoparticules métalliques incluses dans les
verres ; nos ancêtres faisaient des
nanotechnologies sans le savoir !
Les diodes électroluminescentes et diodes laser
actuelles sont basées sur des multicouches,
appelées puits quantiques, dont l’épaisseur est
nanométrique. Bien qu’elles aient été mises au
point avant que le terme de nanotechnologies
ne s’impose, elles en font partie. Ainsi, les
nanotechnologies constituent plus une évolution
technologique continue qu’une révolution
technologique soudaine.
28
A mon avis, les toutes prochaines applications
se trouveront dans les surfaces
nanostructurées : surfaces non-mouillantes,
autonettoyantes, etc. Ces surfaces auront
également des applications en électrochimie,
catalyse et même pour la cosmétique !
Les sciences et techniques du vivant devraient
bientôt pouvoir bénéficier de nano-objets
transportant des médicaments et les libérant là
où ils sont utiles et quand ils sont utiles. On
peut imaginer des évolutions vers un contrôle
actif de la libération de médicaments, par
exemple sous l’effet de stimulations chimiques
ou optiques. De même, les nano-antennes
plasmoniques que j’ai décrites où des systèmes
équivalents, auxquelles seraient associées des
fonctions de reconnaissance moléculaire,
pourront bientôt être utilisés en photothérapie,
afin de détruire sélectivement certaines
cellules.
J’ai déjà mentionné des applications possibles
dans les domaines de l’énergie photovoltaïque,
de l’éclairage électroluminescent et du stockage
de données à toujours plus haute densité.
Toutes les applications à court terme
mentionnées jusque-là concernent des nano-
objets dispersés, agissant individuellement sans
relations entre eux. A plus long terme, un enjeu
énorme est la réalisation d’assemblages
complexes de nano-objets organisés, connectés
entre eux, tels les portes et transistors d’un
circuit intégrés, éventuellement même en
volume. Par exemple, cela ouvrirait la voie à de
nouveaux paradigmes de traitement de
l’information, basés sur l’électronique à un
électron ou la photonique à un photon.
Magali Phaner-Goutorbe : On sait aujourd'hui
fabriquer des nano-objets (nanoparticules,
nanofils, nanocapsules, quantum dots...) ayant
des propriétés remarquables spécifiques à leur
petite taille lorsqu'ils sont isolés mais aussi
spécifiques à leur organisation lorsqu'ils sont
assemblés pour former des surfaces
nanostructurées. Individuellement ou assemblés
ils offrent de nouvelles applications dans
différents domaines, comme la photonique, la
vectorisation des médicaments, les surfaces
intelligentes. Très souvent pour créer ses nano-
objets, les scientifiques se sont inspirés de
l'architecture complexe des systèmes vivants,
(biomimétisme). Je pense que dans le futur un
des enjeux majeurs des nanotechnologies et de
leurs outils tels que les techniques de champ
proche vont être d'explorer de plus en plus le
monde de la biologie, à la fois dans le but de
mieux comprendre le comportement du vivant à
l'intérieur même de la cellule et réparer ses
disfonctionnements mais aussi pour s'en
inspirer.
J'ai beaucoup d'espoir dans le développement de
nanosystèmes hybrides, biologiques et minéraux
pouvant cibler et soigner directement les cellules
malades.
L'ultrafast AFM permet aujourd'hui de suivre en
direct le déplacement d'une molécule de myosine
V sur un filament d'actine, on peut ainsi étudier
des mouvements de moteurs moléculaires qui
pourront être ensuite introduits comme outils
dans les nanosystèmes hybrides pour des
applications en nanomédecine. Le levier de l'AFM
est un outil de choix pour déplacer, manipuler des
nano-objets, on peut imaginer dans un futur
proche de souder à l'échelle nanométrique avec
la pointe, et en contrôlant des matrices de leviers
d'élaborer des nanosystèmes sous pointe.
29
Thomas NAPPEZ : Les nanotechnologies sont
présentes dans de nombreux domaines
industriels depuis plusieurs décennies. C’est
notamment le cas de la microélectronique où la
course à la miniaturisation a rapidement conduit
les chercheurs et les ingénieurs à travailler aux
échelles « nano ». On trouve aujourd’hui de
nouvelles applications des nanotechnologies
dans des secteurs à forte croissance.
Citons par exemple le cas de l’électronique
imprimée qui permet d’obtenir des composants
électriques et optiques souples où les
applications sont seulement limitées par notre
imagination. La nanocellulose est également un
matériau à haut potentiel. Elle est constituée de
nano-fibre de cellulose (principal constituant du
papier) et ses applications vont du
renforcement mécanique (papier ou
composite), à la formulation de textures
naturelles pour l’agro-alimentaire ou la
cosmétique. C’est une autre caractéristique des
nanotechnologies : en faisant variant
uniquement la taille d’un nanomatériau, on
peut modifier ses propriétés physiques. Par
exemple, on peut obtenir à partir de
nanocristaux de tailles différentes des
émissions lumineuses de couleurs différentes à
partir d’un seul et même matériau. C’est une
autre caractéristique des nanotechnologies : en
faisant variant uniquement la taille d’un
nanomatériau, on peut modifier ses propriétés
physiques. Par exemple, on peut obtenir à
partir de nanocristaux de tailles différentes des
émissions lumineuses de couleurs différentes à
partir d’un seul et même matériau. Pour
chacune de ces applications, une analyse
bénéfice/risque rigoureuse doit être conduite
de manière fine et systématique. En effet et à
titre d'exemple, les nanoparticules d’argent,
très réactives et potentiellement nuisibles pour
l’environnement, sont à la fois utilisées dans du
mobilier d’hôpital pour lutter contre les
maladies nosocomiales et dans des chaussettes
anti-odeur. Ces chaussettes sont également
utilisées par des patients diabétiques
extrêmement sensibles aux infections
cutanées. L'analyse d'un nanomatériau donné
doit donc être conduite pour chaque application
et usage envisagés.
Enfin, le développement industriel des
nanotechnologies implique le développement
de protocoles de mesures et de normes
spécifiques afin de mettre en place la traçabilité
de mesures à ces échelles. En effet, de
nombreuses réalisations technologiques sont
aujourd’hui encore à l’état de prototypes car les
productions à plus grandes échelles souffrent
parfois d’un manque de reproductibilité lié au
coût important de la caractérisation et au
manque de normes et de protocoles.
.
25

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  • 2. 2 KAMITIS est une société spécialisée en expertise scientifique, en veille stratégique et technologique et en financement de l’innovation. Elle opère principalement auprès des entreprises innovantes mais également auprès des structures institutionnelles. KAMITIS réalise pour ses clients des états de l’art technologique, des études de marchés et des analyses technico-économiques. Elle les aide également à identifier et à obtenir les meilleurs financements pour leurs projets. Lyon 6 Place Bellecour 69002 Pour plus d'informations : contact@kamitis.com - www.kamitis.com
  • 3. 3 Éditorial Nanotechnologies : enjeux et opportunités Expertise scientifique Des nanodiamants pour le stockage d'énergie Le nano-ordinateur Dispositif à base de nanoruban pour alimenter un pacemaker Financement Les 4 mesures phares de la loi de finances 2014 pour les start-up et entrepreneurs L’investissement dans les PME en crise ! Intelligence économique L ’apport de l ’Intelligence Economique au Renseignement et l’état de la communauté de l’I.E. en France La "dé-rafalisation" finale des relations France-Brésil Focus La nanométrologie comme levier de développement pour les entreprises Par NICOLAS FELTIN & Thomas NAPPEZ I3 Synthèse de nanoparticules en solution Par STEPHANE DANIELE Caractérisation de nanostructures Par MAGALI PHANER-GOUTORBE De l’élaboration à l’application en médecine Par François LUX De l’élaboration à l’application en nanophotonique Par Fabrice CHARRA Salon virtuel pour les nanotechnologies Par Thomas NAPPEZ Question commune 4 4 5 5 5 6 8 8 9 10 10 10 11 11 14 15 17 19 22 25 26 Sommaire
  • 4. 4 Nanotechnologies : enjeux et opportunités Les nanotechnologies ont ainsi été identifiées comme des « Key Enabling Technologies » (KET) au niveau européen. Elles constituent donc un levier d‘innovation majeur dans de nombreux secteurs industriels, pouvant apporter des réponses concrètes aux besoins de notre société : La préoccupation grandissante pour l’environnement, la quête du meilleur rendement énergétique, la réduction de la consommation dans un contexte de plus en plus énergivore, les inquiétudes face à la sécurité, à la gestion et au traitement de l’information et des contenus, ou encore les questions de santé, devenues incontournables aujourd’hui. Cette publication fait le point sur quelques recherches et applications dans ce domaine et résume les enjeux, les opportunités ainsi que l’impact de ces développements sur notre futur : Nicolas FELTIN, responsable de la plateforme CARMEN et Thomas NAPPEZ, co-fondateur et directeur commercial de Nanothinking nous expliquent l’engouement actuel autour des nanomatériaux et le vaste champ d’applications que l’on peut en attendre. Stéphane DANIELE co-fondateur et directeur technique de la société Lotus Synthesis, nous parle de la synthèse de nanoparticules en solution par procédé (Sol-Gel) suivant une approche soucieuse de la sécurité et de l’environnement. Magali PHANER-GOUTORBE, Professeure des Universités à l’Ecole Centrale de Lyon, nous présente ses recherches basés sur la microscopie à force atomique (AFM) et visant la caractérisation, l’observation et la mesure des propriétés physico-chimiques des nanomatériaux. François LUX, chercheur au LPCML (Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux Luminescents), nous démontre que c’est en médecine que la convergence entre nanotechnologies et biotechnologies prend tout son sens. Ses travaux illustrent les efforts dans ce domaine et laissent présager de nombreux bénéfices. Fabrice CHARRA, Responsable du LEPO (Laboratoire d'Electronique et nanoPhotonique Organique) et directeur de recherche au CEA, nous décrit les efforts entrepris pour la conception et le développement de nano-objets offrants des fonctions photoniques innovantes. Bonne lecture, Éditorial Nous nous intéressons dans ce numéro au monde des nanotechnologies. Un secteur stratégique qui présente un énorme potentiel économique. En France, il est soutenu par un grand effort de recherche qui est principalement le fait d’universités ou d’organismes publics. Très souvent, il s’agit de travaux qui portent sur la compréhension des propriétés de la matière à l’échelle du nanomètre mais également sur la réalisation de dispositifs. Ces travaux sont appelées à redéfinir le contenu technologique de la plupart des secteurs industriels. Mais les nanotechnologies ne sont pas une simple étape de miniaturisation ! Elles se caractérisent très souvent par la mise en œuvre de nouvelles lois de comportement qui dominent le fonctionnement du nano-objet. Par Khaled Baaziz Dirigeant de Kamitis
  • 5. 5 Des nanodiamants pour le stockage d'énergie UMWELTnanoTECH est un projet réunissant de nombreux acteurs allemands de la recherche. Il vise à produire des technologies nanométriques afin de mieux réussir la transition énergétique. Dans ce cadre, le Centre de recherche énergétique appliquée de Bavière bavarois (ZAE) et l'Université de Wurtzbourg (Bavière) étudient la possibilité d'enrichir des batteries à l'aide de ce que les chercheurs appellent des "nano-diamants" pour améliorer leur efficacité. Le Ministère de l'environnement du Land de Bavière soutient l'initiative à hauteur de trois millions d'euros. Les prochaines générations d'appareils de stockage d'énergie sont déjà développées. Elles sont appelées "supercondensateurs". Ces batteries disposent de nombreux avantages comme, par exemple, une meilleure durée de vie. Cependant des pistes d'amélioration sont encore ouvertes et les chercheurs cherchent à améliorer la capacité de ces "supercondensateurs". Pendant trois ans les chercheurs du ZAE et de l'Université de Wurtzbourg vont étudier l'introduction de nano-diamants dans les électrodes. Il a en effet déjà été prouvé qu'un tel ajout permettait d'améliorer la capacité des condensateurs. L'objectif de ce projet sera de comprendre quelles fonctions jouent exactement les nanoparticules : sont-elles actives ou jouent-elles un rôle de catalyseur? Ces nanoparticules ont de plus un autre avantage : leur coût est faible car elles font partie des résidus produits lors de la fabrication d'explosifs, par exemple. Le nano-ordinateur Une équipe composée de scientifique de l’organisation MITRE et de l’Université de Harvard ont conçu un processeur, plus petit qu’un neurone humain, dont la densité irait au-delà de la fameuse loi de Moore. Baptisé nanoFSM pour "nanoelectronic finite-state machine", ce processeur est composé de centaines de transistors sous forme de nanofils organisés comme des tuiles qui servent de circuits. Publiées dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences, les travaux présentent ce fameux nano-ordinateur. Expertise scientifique
  • 6. 6 Dispositif à base de nanoruban pour alimenter un pacemaker John Rogers, professeur de science des matériaux et de l'ingénierie à l’université de l'Illinois, et son équipe ont développé des dispositifs flexibles à base de nanorubbans permettant la récupération d'énergie. Le principe consiste à convertir le mouvement d’une partie du corps (comme le cœur ou les poumons) en énergie emmagasinée dans une batterie qui pourrait être utilisée pour alimenter les dispositifs implantables comme les stimulateurs cardiaques. Le dispositif développé par l’équipe est composé de nanorubbans de PZT (Titano-Zirconate de Plomb), d’un redresseur intégré et d’une batterie rechargeable. Le tout est couvert d’une couche de plastique biocompatible et flexible. Grace à l’effet piézoélectrique, le dispositif qui est cousu directement sur le cœur, les poumons ou toute partie du corps en mouvement constant, délivre suffisamment d’électricité pour alimenter un stimulateur cardiaque ou tout autre dispositif implantable dans le corps. Les essais cliniques sur l’homme ne seront envisagés qu’après avoir solutionné un certain nombre de questions (effet de la suture sur des organes importants, réaction du corps a cet objet étranger, remplacer le plomb du PZT par un élément non toxique mais aussi performant…). Figure : le dispositif (avec redresseur et micro-batterie) monté sur un cœur de bœuf. Sources : http://idw-online.de/pages/de/news567627 www.mitre.org/news/press-releases/mitre-harvard-teams-ultra-tiny-nanocomputer-may-point-the-way-to- further http://www.pnas.org/content/early/2014/01/15/1317233111.short (doi: 10.1073/pnas.1317233111 ) http://phys.org/news/2014-01-team-implantable-piezoelectric-nanoribbon-devices.html#jCp Crédit photo : Université de l’Illinois & de l’Université de l’Arizona
  • 7. 7 Financement Les 4 mesures phares de la loi de finances 2014 pour les start-up et entrepreneurs L’extension du statut de jeune entreprise innovante, l’aménagement du crédit impôt recherche, le PEA-PME et la hausse de l’abattement applicable aux plus-values de cession comptent parmi les mesures clés de la loi de finances 2014, entrée en vigueur le 1er janvier. La loi de finances pour 2014 publiée au Journal Officiel du 30 décembre 2013, inclut quatre mesures clés pour la fiscalité des entreprises et des start-up. 1) Extension du statut de JEI : Outil de soutien aux PME innovantes de moins de 8 ans investissant au moins 15% de leurs charges dans la recherche et développement, le statut de jeune entreprise innovante (JEI), qui devait prendre fin le 31 décembre 2013, a été prorogé jusqu’au 31 décembre 2016. La loi 2014 prévoit une exonération de 100% des cotisations sociales patronales pendant huit ans (alors que celle-ci était dégressive auparavant). Cette exonération a été étendue aux personnels affectés à des activités d’innovation (conception de prototypes ou installation de pilotes de nouveaux produits). 2) Renforcement du CIR : La loi de finances pour 2014 instaure un seul et même régime de territorialité pour les dépenses de protection des droits de propriété intellectuelle éligibles au crédit impôt recherche (CIR). Rappelons qu’afin de renforcer la compétitivité des PME, ce dispositif a été étendu à certaines dépenses d’innovation, hors R&D, par la loi de finances de 2013. 3) Création du PEA-PME : Nouvel outil, le PEA dédié au PME est plafonné à 75 000 euros. Sont éligibles au PEA-PME les actions des PME et entreprises de taille intermédiaire (ETI) cotées et non cotées, ainsi que les obligations de PME et ETI selon un mode indirect, via des parts de fonds. Le siège des entreprises concernées doit être situé en France ou dans un autre État membre de l’Union européenne. Comme le PEA classique (plan d’épargne en actions dont le plafond a été relevé à 150 000 euros), le PEA-PME donne droit à une exonération après 8 ans de la fiscalité sur les dividendes et plus-values, hors prélèvements sociaux. 4) Plus-values de cession : La loi de finances 2014 maintient le principe de l’imposition des plus-values de valeurs mobilières au barème progressif après application d’un abattement applicable à l’impôt sur le revenu. Les titres détenus depuis moins de 2 ans ne sont pas concernés, tandis que les titres de plus de 2 ans bénéficient d’un abattement de 50% et ceux détenus depuis plus de 8 ans d’un abattement de 65%. Ces abattements peuvent concerner également les cessions de parts ou d’actions d’organismes de placements collectifs (sicav/FCP). Ce régime est applicable aux cessions 2013 et suivantes, les anciens taux de 20%, 30% et 40% votés dans le cadre de la loi de finances 2013 ne seront finalement pas appliqués. Parallèlement à ce régime général, un régime alternatif concerne les dirigeants d’entreprise appelés à céder des titres de sociétés de moins de 10 ans. Le taux d’abattement a été fixé à 50% si les titres cédés ont été détenus depuis plus de 1 an. Il passe à 65% lorsque les titres ont été détenus plus de 4 ans, puis à 85% pour une cession de titres détenus depuis plus de 8 ans.
  • 8. 8 L’investissement dans les PME en crise ! En 2012, près de 23,6 milliards d’euros (M€) ont été levés à des fins de capital investissement en Europe, enregistrant ainsi une baisse de 43% par rapport à l’année précédente. Cette diminution est en partie relative à la chute des levées de fonds supérieures à 250M€ en nombre (13 levées de fonds en 2012 contre 26 en 2011) et en volume (baisse de 25% sur la même période). Plus résistant que la moyenne européenne, à 5 milliards d’euros en 2012, les montants des fonds levés sur le marché français en 2012 diminuent de 22%. La tendance hors levées supérieures à 200M€ est en revanche à la hausse (14 %), principalement sur les opérations entre 100 M€ et 200 M€. Les trois quarts des entreprises investies opèrent dans trois secteurs : l’industrie manufacturière, les activités scientifiques et techniques et la communication. Ces secteurs ne comptent que pour un cinquième des PME française ! Figure : le capital-investissement en France et en Europe (en milliard d’euros). Sources : www.silicon.fr/mesures-phares-loi-finances-2014-numerique-91826.html www.bpifrance.fr/actualité/publication_etudes/etude_thematique www.alternatives-economiques.fr/penurie-de-capital-investissement_fr_art_1281_66921.html
  • 9. 9 Intelligence économique L ’apport de l ’Intelligence Economique au Renseignement et l’état de la communauté de l’I.E. en France L’IHEDN et l'AORL organisent une conférence le mardi 4 février 2014 dans les salons du Cercle de garnison de Lyon, Quartier Général Frère 22, avenue Leclerc 69007 Lyon, sur le thème : « L’apport de l’Intelligence Economique au Renseignement et l’état de la communauté de l’I.E. en France ». Cette conférence sera donnée par Messieurs Christian Harbulot, fondateur et directeur de l’Ecole de Guerre Economique et Charles Pahlawan, directeur-adjoint de l’EGE : Depuis 1994, le Rapport Martre sur « l’intelligence économique et la stratégie des entreprises », l’intelligence économique fait régulièrement l’objet d’échanges, de réflexions de discussions, mais aussi a vu émerger de nouveaux métiers et donc de nouvelles formations. Presque 20 ans après l’apparition au grand jour d’un concept malgré tout ancien, l’intelligence économique reste encore très assimilée au renseignement économique. Qu’en est-il de l’apport réel des concepts portés par l’intelligence économique au renseignement et réciproquement. L’apparition dans l’entreprise de nouveaux métiers liés au traitement et à l’usage de l’information a généré une nouvelle communauté à la croisée du monde du renseignement, des geeks et des communicants. Quel est l’état de cette communauté ? Peut-on en tirer une première typologie ? La "dé-rafalisation" finale des relations France-Brésil Le correspondant de l’académie de l’intelligence économique au Brésil, Frédéric Donier, par ailleurs Vice- président de la Chambre de commerce Franco-Brésilienne à Sao Paulo, vient de publier une analyse particulièrement percutante sur le feuilleton décrivant l’aventure du Rafale au Brésil. Pour différencier son contenu de celui des nombreux articles de presse parus ces derniers jours, Frédéric Donier est reparti de quelques actes concrets dont il a été le témoin oculaire avant d’analyser les erreurs stratégiques de Dassault Aviation au Brésil et décrypter l’approche du lobbying suédois qui s’est révélé très efficace. Sources : http://ihedn-rl-ar14.news.over-blog.com/article-intelligence-economique-etat-des-lieux-122029544.html http://blogs.lesechos.fr/intelligence-economique/la-de-rafalisation-finale-des-relations-france-bresil- a14008.html
  • 10. 10 Focus La nanométrologie comme levier de développement pour les entreprises Les nanotechnologies ont ainsi été identifiées comme des « Key Enabling Technologies » (KET) au niveau européen ou comme des «technologies critiques » au niveau français, elles constituent ainsi un levier d‘innovation majeur dans de nombreux secteurs industriels. Or, le passage de la phase de R&D à la phase d’industrialisation constitue encore souvent un défi technique et la métrologie joue un rôle essentiel dans ce changement d’échelle nécessaire au transfert industriel. Toutefois, les activités de nanométrologie et de nanocaractérisation sont trop souvent négligées dans les projets de développement, notamment par les PME qui ne disposent pas des ressources matérielles et humaines pour bien adresser ces questions. Les industriels qui tentent de tirer parti de ces propriétés nouvelles pour mettre au point des produits innovants, doivent ainsi mettre en place une instrumentation fiable, capable de mesurer à l’échelle du nanomètre, pour établir un « système qualité » permettant de reproduire des nanomatériaux et des nanodispositifs avec un haut degré de précision et de répétabilité. Un rapport de la « Royal Society & Royal Academy of Engineering » conclut que la rupture technologique créée par les nanosciences et nanotechnologies ne se situe pas au niveau de la fabrication mais plutôt « au niveau des outils utilisés pour observer et mesurer les propriétés, et contrôler la fabrication à l’échelle nanométrique ». L’ensemble des acteurs impliqués dans ce domaine émergent s’accorde sur le fait que le développement d’une métrologie et d’une instrumentation adaptée au domaine nanométrique (1-100 nm) a un effet «catalyseur» sur le développement global des nanotechnologies. C’est ce que confirme l’étude économique nationale réalisée par la PNS en 2011 [7] sur l’ensemble de la chaîne de valeurs des acteurs du domaine des nanomatériaux qui implique les trois grandes familles d’entreprise (synthèse, intégration, utilisation) et qui fait ressortir en première préoccupation un besoin en moyen de caractérisation des substances. Nicolas FELTIN Responsable de la Plateforme CARMEN Laboratoire national de métrologie et d'essais nicolas.feltin@lne.fr L’engouement actuel autour des nanomatériaux et le vaste champ d’applications que l’on peut en attendre s’expliquent par la forte dépendance des propriétés physico-chimiques des nano- objets avec leurs dimensions et leur morphologie. Ainsi, pour chaque propriété fonctionnelle souhaitée (électronique, magnétique, optique, mécanique…) associée à une application particulière, il est possible de concevoir « à la carte » un nano-objet lui correspondant. Thomas NAPPEZ Cofondateur & directeur commercial Nanothinking thomas.nappez@nanothinking.com
  • 11. 11 Actuellement, la mesure à l’échelle du nanomètre se heurte à plusieurs difficultés : i) Tous les mesurandes ne sont pas encore définis. Par exemple : quel(s) mesurande(s) pour définir la forme d’une nanoparticule ? ii) Il existe très peu de méthodes normalisées disponibles à ce jour. Ceci s’explique par la complexité de la mesure à l’échelle du nanomètre. iii) Les chaînes de traçabilité au système SI ne sont pas encore établies pour toutes les grandeurs concernées. Le manque de traçabilité affecte la fiabilité de la mesure qui ne sera pas forcement comparable entre les différentes méthodes utilisées ou entre différents laboratoires. iv) Les méthodes de mesures dimensionnelles directement traçables au SI (microscopie électronique ou à champ proche) sont extrêmement coûteuses, et souvent hors d’atteinte pour des PME. Mais les techniques simples ou indirectes (mesure de paramètre équivalent) plus accessibles et plus faciles à mettre en œuvre, cachent de nombreux biais de mesure et doivent être utilisées avec précaution. Une technique indirecte correspond à la mesure d’un paramètre, comme la taille d’un nano-objet, en tirant partie d’une de ses propriétés intrinsèques qui peut être liée à son volume, sa masse, sa vitesse de sédimentation, sa mobilité électrique ou son coefficient de diffusion. Par conséquent, les mesures de diamètre d’une nanoparticule provenant de différentes méthodes de caractérisation ne sont pas forcément comparables : les instruments ne mesurent pas le même mesurande. Des méthodes de mesure rigoureuses doivent être définies. Les notions de diamètre physique et diamètre équivalent sont peu connues dans le secteur des PME et la confusion entraîne parfois des artefacts. v) Il est souvent nécessaire de croiser les techniques de mesure pour obtenir un résultat fiable. Cette démarche demande du temps et souvent une grande expertise. vi) La très grande diversité des substances à caractériser. Les substances à l’état nanoparticulaire peuvent être homogènes ou hétérogènes (du point de vue de la composition chimique). La forme prise en compte peut être compacte, linéaire ou complexe. La substance peut être isolée ou nanostructurée sous forme d’agrégats ou d’agglomérats. Celle-ci peut également être fonctionnalisée afin d’en modifier les propriétés. vii) L’échantillonnage est une étape clé de la mesure mais souffre d’un manque de formalisation et de normalisation qui permettrait là encore de pouvoir comparer les études existantes. Ainsi, l’usage des nanomatériaux est très présent dans les activités à l’échelle de la R&D mais souffre encore d’un trop faible transfert vers l’industrie. L’étude du cabinet Développement et Conseil sur « les réalités industrielles françaises dans le domaine des nanomatériaux » insiste sur le faible nombre de nouveaux nanoproduits français (4/5 par an depuis moins de trois ans) arrivés à maturité et commercialisés par la suite. En effet le passage de l’échelle du laboratoire à l’échelle industrielle pose actuellement un problème. Une centaine de PME déclarent avoir abandonné leur activité dans le domaine des nanomatériaux car elles n’ont pas réussi à retrouver les propriétés fonctionnelles mises en évidence en laboratoire. Les freins au développement du tissu industriel des nanomatériaux en France, identifiés par le même rapport, sont : (i) la faisabilité industrielle (ii) la réglementation et acceptabilité sociétale, et (iii) la structuration de l’écosystème. Le manque d’outils métrologiques fiables contribue aux deux premiers freins et la nanométrologie est un élément qui pourrait structurer la future filière « nanomatériaux » en France. En outre, le besoin en caractérisation, celui d’un accompagnement dans la mise en place des procédés de sécurité, ainsi que l’attente en matière de toxicologie des nanomatériaux sont les trois conclusions majeures de l’étude économique nationale réalisée pour les besoins de la PNS en 2011 [7].
  • 12. 12 Différentes familles de nano-objets Par ailleurs, en France depuis le 1 er janvier 2013 et bientôt d’autres pays européens, chaque fabricant, importateur et distributeur doit effectuer une déclaration (article L. 523-1) dès lors qu’il produit, importe ou distribue au moins 100 g par an d’une substance à l’état nanoparticulaire, en l’état ou contenue dans un mélange sans y être liée ou de matériaux destinés à rejeter cette substance dans des conditions normales ou raisonnablement prévisibles d’utilisation. Ce dispositif législatif a pour but de mieux connaître ces substances et leurs usages, de disposer d’une traçabilité des filières d’utilisation, d’une meilleure connaissance du marché et des volumes commercialisés et enfin de collecter les informations sur leurs propriétés toxicologiques et éco-toxicologiques. Pour que le produit soit concerné par le décret, il faut que la proportion des nanoparticules présentes soit supérieure à 50 % de la distribution des tailles en nombre. Un premier défi métrologique consiste à évaluer cette proportion et beaucoup de PME sont dans l’incapacité de réaliser une telle mesure. En complément à ce décret, un arrêté est paru au journal officiel daté du 10 août 2012, pris en application des articles R. 523-12 et R. 523-13 du code de l’environnement. Le fabricant, l’importateur ou le distributeur se doit de mesurer un ensemble de paramètres caractérisant la «nanosubstance» (taille des nanoparticules, distribution en taille, état d’agrégation/agglomération et forme). De plus, cette mesure doit être obligatoirement accompagnée d’une incertitude ainsi que d’une description du protocole de mesure. L’état cristallin, la surface spécifique et la charge en surface doivent aussi être fournis par le déclarant, s’ils sont disponibles. L’ensemble des informations est envoyé chaque année à l’ANSES qui a été mandaté par le MEDDE pour mettre en place une base de données. Obligation de déclaration des substances à l'état nanoparticulaire
  • 13. 13 Or, les méthodes de mesure de référence ne sont pas encore établies au niveau international : il n’existe à l’heure actuelle ni norme ni consensus concernant les techniques de caractérisation à associer aux propriétés recherchées. Un exemple de difficultés concerne en particulier le paramètre « taille » : différents protocoles peuvent exister suivant que l’on parle de taille primaire, taille hydrodynamique, taille aérodynamique… Ceci illustre le fait que pour les nano-objets, les descripteurs peuvent dépendre de l’environnement de la particule et ne pas être constants dans le temps. Cet exemple de la taille illustre parfaitement les difficultés des PME à appliquer la réglementation en vigueur en ne disposant pas d’une solution clef en main simple, fiable et à un coût raisonnable. Les difficultés inhérentes à la mesure à l’échelle nanométrique peuvent dans un avenir proche entraîner deux types de problèmes. Tout d’abord, certains industriels concernés peuvent se sentir perdus face à des techniques de mesure qui restent complexes même pour des instituts nationaux de métrologie. Ensuite, devant l’absence de protocoles normalisés, les données récoltées par l’ANSES risquent d’être sujettes à caution. L’objectif initial du décret qui était de mettre en place une structure de surveillance fiable des nanoproduits présents sur le sol national ne pourrait ainsi être atteint. Pour faire face à ces enjeux, citons plusieurs initiatives nationales. Le développement de plateformes technologiques, comme la PNS (Plateforme NanoSécurité) du CEA et CARMEN (CARactérisation MEtrologique des Nanomatériaux) du LNE, vont notamment permettre de mutualiser les instruments de mesure et d’offrir un service compétitif aux industriels. De plus, le Club nanoMétrologie animé par le LNE et le C’Nano, qui compte à ce jour 260 adhérents dont près de 20 % de PME, contribue à la création d’un réseau de métrologie dans le domaine des nanotechnologies et à la fourniture des solutions métrologiques pour les travaux de R&D et de normalisation et pour les études toxicologiques et éco-toxicologique. Enfin, le projet NanoMet, qui a commencé début 2014 et qui financé par la DGCIS, vise, d’une part, à apporter aux PME les moyens méthodologiques, métrologiques et techniques nécessaires à l’optimisation de leurs procédés mettant en œuvre des nano-objets et, d’autre part, de les soutenir dans leur obligation réglementaire de déclaration annuelle de leurs substances à l’état nanoparticulaire Sources : [1] Rapport d’expertise collective, AFSSET, « Les nanomatériaux – Effets sur la santé de l’homme et sur l’environnement », Juillet 2006. [2] « Scientific opinion: the potential risks arising from nanoscience and nanotechnologies on food and feed safety», The EFSA Journal, (2009), 959, 1-39. [3] Journal Officiel de l’Union Européenne, C184E, 8 juillet 2010, p88. L’Union Européenne « demande urgemment la mise au point de protocoles d'essai et de normes en matière de métrologie adéquats permettant d'évaluer, sur la base d'une approche pluridisciplinaire, l'exposition des travailleurs, des consommateurs et de l'environnement aux nanomatériaux et les risques liés à ces derniers, et ce durant l'intégralité de leur durée de vie, y compris en cas d'accident ». [4] F. Schrurs et D. Lison “Focusing the research efforts”, Nature Nanotechnology 7,546–548. [5] D&Consultants, « Les réalités industrielles dans le domaine des nanomatériaux en France : analyse de la réalité du poids des nanomatériaux dans la filière industrielle concernée », commandé par la DGCIS, 2011. [6] « Technologies Clés 2015 » pour le compte du Ministère de l’Industrie, de l’Energie et de l’Industrie numérique, 2011. [7] A. Witomski et A. Raphaël, étude de marketing, Plate-forme Nanosécurité, décembre 2011.
  • 14. 14 I3 ce sont trois interrogations pour échanger avec un expert sur l'environnement de l'entreprise. Nous nous intéressons dans ce numéro au monde des nanotechnologies. Un secteur stratégique qui présente un énorme potentiel économique. En France, il est soutenu par un grand effort de recherche qui est principalement le fait d’universités ou d’organismes publics. Très souvent, il s’agit de travaux qui portent sur la compréhension des propriétés de la matière à l’échelle du nanomètre mais également la réalisation de dispositifs. En Europe, la France est en troisième position après l’Allemagne (qui affiche un développement équilibré le long de la chaîne de valeur) et l’Angleterre (en seconde position grâce à l’instrumentation et aux services). La France est en troisième position grâce aux thématiques de l’électronique imprimée, des MEMS et de la micro - fluidique. L’activité de services y est très faible. D’après les statistiques de la société Nanothinking, l’écosystème français des nanotechnologies est aujourd’hui constitué de : 100 industriels : tous les secteurs sont représentés (3M, Airbus, Renault, Saint-Gobain, L’Oréal, BioMérieux, ST Microelectronics...) 150 centres de recherche : physique, chimie, matériaux, biologie, électronique... 150 start-up : des nanomatériaux bruts aux nanodispositifs 50 autres : pôles de compétitivité, juristes, toxicologues, associations, plateformes... A travers le témoignage de nos experts, chercheurs et entrepreneurs, découvrons ensemble quelques promesses du nanomonde. nano_intermediates Nano-enabled products InstrumentationServices Nanomaterials Allemagne Angleterre France I3
  • 15. 15 La société Lotus Synthesis est un exemple de structure innovante qui fabrique et commercialise une large gamme de suspensions nano chargées. Ces dispersions de nanoparticules dans des matrices aqueuses ou solvantées sont destinées à être intégrées dans des formulations chimiques pour revêtements, tels que les peintures et vernis, films optiques, textiles techniques ou cosmétiques, afin de leur conférer des propriétés particulières. Kamitis : En quoi consiste la technologie Lotus Synthesis, et quels sont ses atouts ? S. DANIELE : Lotus Synthesis est spécialisée dans la production de nanoparticules en solution (par procédé Sol-Gel) suivant une approche soucieuse de la sécurité (aucune manipulation de nano-poudres sèches) et de l’environnement (synthèse en phase liquide principalement aqueuse). La technologie développée au sein de notre laboratoire passe par une approche moléculaire : on part d’un précurseur moléculaire puis on introduit la matière qui permet de former et de fonctionnaliser la surface des nanoparticules. Par exemple, nous produisons des suspensions d’oxydes avec des taux d’extraits secs de 20 à 30%. Comparé à ce qu’il y a sur le marché (avec des taux allant de 1 à 2%), la différence est notable. Il y a deux intérêts principaux pour cette technologie Lotus Synthesis : - La sécurité : En effet, à partir d’un procédé de chimie douce excluant la manipulation de poudre sèche potentiellement dangereuse, notre technologie permet de fabriquer des suspensions stables et transparentes, directement dans le milieu d’intérêt du client. - La qualité des lots : Grâce à la synthèse in-situ directement dans la matrice (milieu d’intérêt du client), nous assurons une dispersion homogène, stable et transparente des nanoparticules en minimisant les problèmes de compatibilité lors des mélanges. Synthèse de nanoparticules en solution Stéphane DANIELE Cofondateur & Directeur Technique de Lotus Synthesis . " Si nos premiers développements sont aujourd’hui sur le marché, d’autres sont encore à venir. " CONTACT: stephane.daniele@lotus-synthesis.fr www.lotus-synthesis.fr La technologie Lotus Synthesis permet de fabriquer des suspensions de nanoparticules stables et transparentes, directement dans le milieu d’intérêt du client, à partir d’un procédé de chimie douce ; suspensions qui seront utilisées comme additifs pour des revêtements intelligents.
  • 16. 16 Kamitis : Quelles sont les applications potentielles pour les nano-suspensions que vous synthétisez ? S. DANIELE : La technologie Lotus Synthesis permet entre autres d’apporter des fonctions : anti-salissures, anti-UV, anti-abrasion, haut indice de réfraction pour les verres ophtalmiques, etc. Nos nanoparticules dispersées sont essentiellement utilisées dans les revêtements transparents (généralement comme additifs pour lasures et vernis). Nous avons aujourd’hui, deux fonctions qualifiées pour les vernis : la fonction anti- salissures (procédé de photocatalyse), et l’anti- UV (absorption UV A et UVB). Un exemple de nos réalisations est le vernis anti-UV : c’est un additif à base de TiO2 dopé Cérium qui permet de protéger le vernis de l’attaque photochimique. Nous avons développé un polyuréthane extrêmement résistant aux UV qui a été utilisé sur des logos de concessionnaires automobile pour résoudre le problème de desquamation du vernis. Nous avons ainsi pu améliorer la durabilité du revêtement de plusieurs années. D’autres applications sont également en développement, parmi les propriétés recherchées: haut indice de réfraction, l’anti- abrasion (un frottement doux qui fini par user la pièce), antibactérien, le retardateur de flamme, isolation thermique, anti-fouling (peinture pour coques de bateaux), anti-odeur corporelle. Kamitis : Comment envisagez-vous l’avenir de Lotus Synthesis en termes de stratégie ? Et quels sont vos axes de développement à moyen et à long terme ? S. DANIELE : Le développement de Lotus Synthesis va passer par le développement de nouvelles fonctions. Au-delà des applications citées plus haut (question précédente), d’autres applications sont en cours de réflexion ou de développement dans le domaine des revêtements, du renfort des matrices plastiques ou encore des textiles fonctionnels. Notre ambition est de devenir une société industrielle et de proposer des additifs à des formulateurs. Cela passe par la production de gros volumes. Jusqu’à présent nous produisions des volumes de 10 litres maximum, cette année nous allons passer à des lots de 300 litres tout en assurant une qualité identique de produits faciles à manipuler et des lots reproductibles. Une levée de fonds a été nécessaire pour envisager la mise à l’échelle, et l’achat d’un réacteur est programmé courant Q1 2014. Nous sommes également en plein développement commercial et cherchons à faire connaitre nos produits et les applications potentielles dans les différents secteurs industriels.
  • 17. 17 Après la synthèse des nanomatériaux, vient l’étape cruciale de la caractérisation. Les chercheurs disposent aujourd’hui de moyens ultra perfectionnés pour observer les nanomatériaux et mesurer leurs propriétés physico-chimiques. Magali Phaner-Goutorbe nous présente dans ce qui suit ces recherches basées sur la microscopie à force atomique (AFM). Kamitis : Le développement des techniques de caractérisation champ proche a largement contribué à l’essor des nanosciences. Dans le cadre de vos recherches, vous travaillez au quotidien avec l’AFM. Pouvez-vous nous présenter vos travaux de recherches ? M. Phaner-Goutorbe : Après un doctorat sur l'élaboration d'un microscope à effet tunnel adapté au milieu liquide et quelques années à travailler sur de alliages semi-conducteurs et métalliques pour des applications en optoélectronique et catalyse, je me suis orientée vers l'étude par microscopie à force atomique (AFM) de couches organiques semi-conductrices et de biosystèmes tels que les puces à ADN, à sucre... Aujourd'hui, je participe avec l'équipe à un beau projet (ANR Glycomime 12-BSV5-0020- 01) qui vise à créer de nouveaux médicaments pour vaincre la mucoviscidose. Les patients atteints par cette maladie sont sensibles à une bactérie pseudomonas aeruginosa qui vient se fixer en particulier sur les cellules épithéliales des bronches, se multiplie et finit par entraver la respiration du patient conduisant à des infections pulmonaires graves. L’idée développée par le consortium qui travaille sur ce projet est de bloquer l'adhésion de la bactérie en introduisant des sucres synthétiques. Un des moyens de fixation de la bactérie est par l'interaction de protéines (appelées lectines) présentes sur sa membrane et de sucres présents sur la cellule. Si les sucres synthétiques (glycoclusters) présentent une affinité plus grande que les sucres naturels on peut imaginer d'empêcher l'adhésion. Ma participation consiste à utiliser l'AFM pour observer les complexes sucres-lectines créés, étudier leur arrangement géométrique (à l'échelle du nanomètre) et mesurer les forces mises en jeu dans cette interaction (à l'échelle du nano ou picoNewton). Kamitis : Quelle est l’importance des outils de caractérisation des nanomatériaux au niveau de la recherche fondamentale mais aussi au niveau applicatif ? M. Phaner-Goutorbe : En 1982 l'invention du microscope à effet tunnel par G. Binnig et H. Röhrer, prix Nobel de Physique en 1986 avait pour objectif de visualiser de façon directe, Caractérisation de nanostructures Magali PHANER-GOUTORBE Professeure des Universités / Directrice des Relations Internationales Responsable du Master Nanoscale Engineering Ecole Centrale de Lyon . " Le levier de l'AFM est un outil de choix pour déplacer et manipuler des nano-objets " CONTACT: magali.phaner@ec-lyon.fr http://master-nano.universite-lyon.fr
  • 18. 18 locale et à l'échelle atomique les reconstructions de surface de semi-conducteurs telle que la (7x7) de la face (1,1,1) du silicium par exemple. L'objectif était à la fois de réaliser une étude fondamentale, les premières observations dans l'espace directe de l'arrangement des atomes sur ces surfaces mais elles ont permis aussi de développer et de contrôler les techniques d'élaborations de nanostructures, nanofils, nanodots à partir de ces surfaces. Le microscope à force atomique inventé en 1986 par G. Binnig et Quate, plus facile d’utilisation, (on peut faire des observations à l'échelle nanométrique sur n'importe quel type de matériaux et à l'air), est un outil incontournable pour le développement de nanosystèmes, l'étude de nanostructures. Aujourd'hui, certains appareils commerciaux permettent une cartographie moins précise mais plus rapide d'échantillons larges et déjà prêts pour le développement industriel. Par ailleurs ces techniques sont constamment développées, améliorées pour avoir accès à d'autres informations sur les surfaces analysées, propriétés mécaniques, chimiques, optiques électriques... L'utilisation de l'AFM pour l'observation de macromolécules biologiques telles que l'ADN a pour objet de participer à une meilleure connaissance de la biologie. Dans notre cas, les résultats de nos mesures de forces d'interaction nous permettront, je l'espère, à la fois de participer à la découverte de nouveaux médicaments mais aussi de mieux comprendre les mécanismes biologiques mis en jeu dans les interactions sucre-protéine de façon plus générale et donc plus fondamentale. Kamitis : Quelles sont les innovations futures concernant les techniques de caractérisations ? M. Phaner-Goutorbe : Depuis leur invention, ces techniques de champ proche n'ont pas cessé d'être améliorées par les chercheurs pour pouvoir satisfaire les besoins de caractérisation des nanosystèmes. Concernant l'AFM pour des applications biologiques, pouvoir sans aucun doute mesurer l'interaction entre 2 molécules semble être possible dans un proche avenir, le développement de l'ultrafast AFM par l’équipe japonaise du prof T. Ando est extrêmement encourageante pour étudier directement l'activité biologique et le mouvement de macromolécules in situ. L'avenir me semble aussi dans le développement de techniques de caractérisation combinées, topographique et chimique, c'est à dire AFM-RAMAN, AFM-IR... ou à différentes échelles AFM-microscopie de fluorescence...
  • 19. 19 C’est certainement en médecine que la convergence entre nanotechnologies et biotechnologies prend tout son sens. Les travaux de François Lux illustrent les efforts des chercheurs dans ce domaine et laissent présager de nombreux bénéfices. Kamitis : Les nanoparticules ont ouvert des perspectives nouvelles en médecine et notamment en oncologie aussi bien en diagnostic qu’en thérapeutique. Pouvez-vous nous parler de vos travaux de recherche dans ce domaine et les applications visées? F. LUX : Depuis 2004, l’équipe à laquelle j’appartiens travaille en partenariat étroit avec la société Nano-H sur le développement de nanoparticules multimodales (c’est-à-dire pouvant intégrer plusieurs fonctionnalités d’imagerie ou de thérapie) pour des applications biomédicales. Notre grande originalité à été de proposer des particules hybrides à base de gadolinium de très petite taille. De par leur structure et composition, nous avons réussi à obtenir des propriétés extrêmement intéressantes, combinant une action d’agent de contraste IRM avec des effets radiosensibilisants : augmentant ainsi l’action curative des traitements radiothérapeutique. Même si nous travaillons sur plusieurs types de pathologie, c’est en oncologie que nos travaux sont les plus avancés. Pour cette application, la nanoparticule (AGuIX®) que nous développons est de très petite taille (inférieure à 5 nm) et est basée sur une matrice de polysiloxane (un dérivé de la silice) et entourée de molécules organiques (chélates) permettant d’intégrer des ions métalliques dont le gadolinium utilisé actuellement comme agent de contraste IRM. Cette approche peut également être combinée avec un marquage par des isotopes radioactifs pour des applications en scintigraphie. La faible taille des nanoparticules permet leur élimination par les urines et évite ainsi une trop longue rétention dans le corps comme cela a été montré par de nombreuses études sur rongeurs. De plus, ce type de nanoparticules a été injecté dans de nombreux animaux porteurs de tumeurs et une accumulation dans la tumeur par des mécanismes passifs a pu être observée à chaque fois. Cette accumulation est due au fait que la néovascularisation au niveau de la tumeur est rapide et anarchique, rendant les néovaisseaux plus poreux et laissant ainsi le passage aux nanoparticules. De l’élaboration à l’application en médecine François LUX Maitre de conférences L’institut lumière matière (ILM), Lyon " Les nanotechnologies sont une avancée radicale qui repousse les limites des technologies actuelles" CONTACT: francois.lux@univ-lyon1.fr www.ens-lyon.fr/CHIMIE/
  • 20. 20 Nous avons pour le moment deux types de produit très aboutis pour lesquels nous cherchons des financements afin de démarrer une phase clinique : Plusieurs collaborations avec des centres cliniques sont en cours pour des études pré-cliniques, en particulier les CHU de Lyon et Grenoble, l’Hopital Gustave Roussy à Paris et enfin aux Etats Unis, la Harvard Medical School à Boston. Nous cherchons à commencer les phases cliniques chez l’homme. Les pathologies prioritaires sont pour le moment les gliobastomes - métastases cérébrales, les cancers du poumon à petites cellules et enfin le traitement des tumeurs têtes et cou. Kamitis : Quelles sont les caractéristiques que vous recherchez en développant vos nanoparticules (ou en développant ce produit)? F. LUX : En nanomédecine, le développement d’un agent théragnostique nous pousse à regarder plusieurs aspects en priorités : l’efficacité attendue thérapeutique radiosensibilisante, l’efficacité en agent de contraste IRM, les biodistribution et le comportement in vivo des produits, la stratégie d’application. Enfin, il faut toujours avoir à l’esprit, le gain à attendre par rapports aux traitements actuels à base de molécules conventionnelles le cas échéant. Lorsque nous développons un produit, nous cherchons toujours à rester le plus proche possible de l’application visée. I Les nanoparticules AGuIX® sont des agents de contraste IRM mais possèdent également un pouvoir radiosensibilisant. C’est-à-dire qu’elles peuvent être utilisées en radiothérapie afin de potentialiser les effets de ce traitement. De manière simplifiée, on peut dire que les nanoparticules interagissent avec les rayonnements utilisés en radiothérapie pour former des espèces très nocives pour les cellules telles que des radicaux, des électrons… Ces propriétés radiosensibilisantes permettent de vaincre la radiorésistance de certaines tumeurs mais également en augmentant l’efficacité de la radiothérapie d’obtenir un effet équivalent avec une dose moindre ce qui permet de limiter les effets secondaires délétères d’un traitement. L’un des intérêts majeurs des nanoparticules proposées est de pouvoir visualiser la tumeur par IRM préalablement afin de pouvoir adapter le traitement ensuite à chaque patient. Cette technologie s’inscrit dans le cadre de la médecine personnalisée envisagée pour l’hôpital de demain. II Le deuxième produit que nous développons est relativement similaire à celui précédemment décrit si ce n’est que dans ce cas certains des chélates entourant la nanoparticule sont laissés libres d’accueillir un isotope radioactif émetteur de positon. Ce marquage radioactif permet d’utiliser la nanoparticule en scintigraphie TEP (Tomographie par Emission de Positons). L’intérêt principal de ce produit est de pouvoir réaliser un agent de contraste bimodal pouvant servir à la fois en scintigraphie et en IRM. Le développement de cette nanoparticule est lié au besoin émergent d’agents de contraste possédant ces deux types de propriétés étant donné que les constructeurs viennent de lancer sur le marché tout une gamme d’appareillages pouvant réaliser ces deux imageries en simultanée. L’intérêt étant de bénéficier des avantages des deux imageries (sensibilité pour la scintigraphie et résolution pour l’IRM) avec une bonne corrélation spatiale et temporelle.
  • 21. 21 Au préalable, cela impose bien entendu d’avoir des composés qui soient compatibles avec les conditions biologiques et une application future : dispersion dans l’eau, stabilité en milieu physiologique, possibilité de synthèse en grandes quantités… Ces contraintes peuvent parfois se révéler frustrantes, le but n’étant pas de développer le matériau avec les meilleures caractéristiques physico-chimiques mais bien en premier lieu celui qui possède de bonnes caractéristiques mais en respectant les contraintes physiologiques. Ceci implique également un dialogue approfondi en amont avec nos partenaires biologiques afin d’éviter de se poser de fausses questions et également un effort constant afin de mieux percevoir leurs contraintes et leurs demandes. Il faut également étudier l’état de l’art afin de ne pas développer un produit pour une pathologie pour laquelle des produits existants donnent déjà une réponse satisfaisante. Kamitis : Pouvez-vous nous parler de ce projet que vous portez dans le cadre de cette collaboration avec la société nano-h ? F. LUX : Nous travaillons avec la start-up Nano- H depuis 2004 date de sa création. Nano-H a été créée par le professeur Olivier Tillement de l’Institut Lumière Matière (ex LPCML à l’époque) et par le professeur Pascal Perriat du laboratoire MATEIS. Depuis cette date, le laboratoire et Nano-H travaillent de manière extrêmement étroite sur les applications biomédicales des nanoparticules. Les premiers travaux ont été menés sur un autre type de nanoparticules breveté en 2004. Ces nanoparticules étaient constituées d’un cœur d’oxyde de gadolinium et entourée d’une couche de polysiloxane sur laquelle étaient greffées des biomolécules. De nombreuses publications ont été proposées avec ces nanoparticules originales et notamment les premières études de radiosensibilisation montrant l’intérêt des nanoparticules de très petites tailles à base de gadolinium pour la radiosensibilisation. Cette application réalisée en présence de nanoparticules ultrafines a été breveté en 2007. Néanmoins même si aucune mesure ne montrait de relargage du gadolinium, plusieurs partenaires s’inquiétaient de la nature du cœur d’oxyde de gadolinium et craignaient un relargage d’ions gadolinium dans le corps. Afin de parer à cette éventualité et pour augmenter la dispersion de nos nanoparticules, nous les avons entourées de chélates déjà utilisés commercialement comme agents de contraste IRM. Nous avons alors eu la surprise de voir que cette manipulation donnait naissance à une nouvelle nanoparticule ; les chélates emprisonnent les ions gadolinium du cœur entrainant sa dissolution et la formation de nanoparticules faites de polysiloxane et de chélate de gadolinium. La synthèse de cette nanoparticule que nous avons nommé AGuIX® a été brevetée en 2010. Depuis avec nos différents partenaires, nous avons pu valider l’intérêt de ces nanoparticules comme agents de contraste RM/fluorescent/Scintigraphie pour la visualisation de différents types de tumeurs : du cerveau, du poumon, tête et cou… En parallèle, des tests de radiosensibilisation ont été menés avec différentes équipes en France (Hôpital Lyon Sud, Institut Curie, Ligne médicale de l’ESRF…) ou à l’étranger (Harvard medical school, Queen’s university Belfast) afin de valider l’effet radiosensibilisant et d’étudier plus précisément les mécanismes mis en jeu. La preuve de concept a maintenant été faite sur plusieurs modèles et la société Nano-H et le laboratoire désirent maintenant préparer une phase clinique sur la radiosensibilisation guidée par IRM pour le gliome et pour les tumeurs pulmonaires. Le procédé de fabrication a été optimisé et de larges quantités de nanoparticules sont maintenant synthétisables. Un procédé de fabrication par voie GMP a été mis en place et devrait bientôt être mis en application. Des études de toxicologie pré-réglementaires montrent une toxicité extrêmement faible des nanoparticules in vitro et in vivo. Afin de pouvoir préparer au mieux le passage en phase clinique, le laboratoire et la société Nano- H cherchent à lever des fonds pour procéder à la synthèse du lot final et aux études de toxicologie réglementaires
  • 22. 22 Les spécialistes sont unanimes : les appareils électroniques seront de plus en plus discrets, mais énergivores, avec des fonctionnalités plus étendues et des capacités de stockage impressionnantes. C’est aussi ce que nous assure Fabrice Charra qui nous décrit les efforts entrepris pour la conception et le développement de nano-objets offrants des fonctions photoniques innovantes. Kamitis : La nanophotonique s’accompagne de progrès techniques majeurs. Graver des pistes de quelques nanomètres de largeur ou réaliser des composants électroniques à partir de nano-objets, c’est aujourd’hui une réalité. Pouvez-vous nous présenter vos travaux de recherche dans ce domaine ? F. CHARRA : Le phénomène de diffraction des ondes empêche leur focalisation dans des spots de dimensions inférieures à une fraction de longueur d’onde (la longueur d'onde de la lumière visible se situe entre 400 et 700nm). Cette barrière de diffraction de la lumière est d’ailleurs à l’origine de la définition des nanotechnologies : la photolithographie ne permettant plus de graver les motifs de plus en plus petits requis par les progrès de l’électronique, des technologies alternatives doivent être mises au point pour cela. Parallèlement au développement de techniques utilisant d’autres faisceaux que la lumière (électrons, ions, …), des recherches visant à contourner cette barrière de diffraction se sont développées. Aujourd’hui il apparaît qu’il est possible de concevoir des nano-objets métalliques capables de jouer pour la lumière le rôle que jouent les antennes radio pour les ondes hertziennes : concentrer l’énergie lumineuse dans un volume de dimensions bien inférieures à la longueur d’onde. Ce domaine est appelé plasmonique en référence aux mouvements du plasma d’électrons du métal. De tels objets, et leur combinaison avec divers milieux actifs, ouvrent de nombreuses perspectives tant fondamentales qu’appliquées, qui constituent mon domaine de recherche. Plus précisément, on pourrait utiliser les spots lumineux nanométriques ainsi réalisés pour la fabrication par nano-lithographie optique, mais selon les mêmes principes, pour lire ou écrire de très fortes densités de données : après les CD, les DVD puis les Blu-ray, évolution basée sur la réduction de la longueur d’onde utilisée, la prochaine génération pourrait être plasmonique. La réalisation de sondes optiques nanométriques permettrait aussi d’exploiter la richesse de diagnostic qu’offre la lumière, spectroscopie d’absorption, de luminescence, analyse temporelle ultra-rapide, … pour analyser les matériaux avec des résolutions encore inégalées. L’aptitude de ces nano-antennes à capter la lumière pour la concentrer en un point pourrait aussi être exploitée dans le domaine des cellules solaires photovoltaïques. De l’élaboration à l’application en nanophotonique Fabrice CHARRA Directeur de Recherche CEA Service de Physique de l'État Condensé (SPEC) Laboratoire d'Electronique et nanoPhotonique Organique (LEPO) " Les nanotechnologies constituent plus une évolution technologique continue qu’une révolution technologique " soudaine. " " CONTACT: fabrice.charra@cea.fr www.ens-lyon.fr/CHIMIE/
  • 23. 23 C’est plus particulièrement le cas pour les cellules polymères en films minces (OPV), dans lesquelles le volume actif autour de la jonction électronique est très restreint du fait de la faible mobilité des porteurs de charges : la plasmonique permet de localiser l’excitation optique dans ces zones actives. Comme toutes les antennes, les antennes plasmoniques fonctionnent en émission ou en réception. Les mêmes principes permettent donc améliorer les rendements des diodes électroluminescentes, en particulier organiques (OLED). A beaucoup plus long terme, la réalisation de guides de lumières plasmoniques et leur combinaison avec des milieux émetteurs de lumière, modulateurs, etc. permettent d’envisager la naissance d’une réelle nano- optique intégrée. Nous travaillons par exemple à la réalisation de nano-lasers, un sujet de recherche actuellement très actif ! Kamitis : Quelles sont les caractéristiques que vous recherchez en développant vos nano-objets ? F. CHARRA : Bien entendu, la première caractéristique des objets que nous étudions est leur taille. S’agissant ici de confiner les photons, les dimensions contrôlées doivent être inférieures à la longueur d’onde optique, soit de l’ordre ou inférieures à la centaine de nanomètres. Ainsi, même si les dimensions « hors-tout » des nano-antennes peuvent atteindre le micromètre, afin d’assurer, par exemple, un rayonnement optimal, elles contiennent des motifs, notamment au niveau des points chauds où la lumière est censée se concentrer, dont la taille peut descendre à une dizaine de nanomètres. Notez que d’autres laboratoires s’intéressent plutôt au confinement des électrons dans des matériaux semi-conducteurs (confinement quantique) ; les tailles à considérer sont alors plutôt de l’ordre du nanomètre. Par ailleurs, la qualité des « points chauds » obtenus dépend de manière cruciale de la précision de la géométrie obtenue. Une rugosité incontrôlée en surface peut fortement modifier les propriétés obtenues, par rapport à celles attendues à l’issue des optimisations par modélisation des champs électromagnétiques (FDTD par exemple). La principale difficulté est cependant la réalisation des systèmes hybrides, combinant des matériaux plasmoniques (métaux tels que l’or, le cuivre, l’aluminium) est des milieux photoniques actifs, tels que semi-conducteurs, molécules organiques absorbantes ou fluorescentes, etc. Enfin, pour certaines applications, il est nécessaire de positionner ces nano-objets les uns par rapport aux autres, par exemple pour former des réseaux périodiques. Les méthodes de fabrication que nous utilisons pour cela sont issues des deux grandes familles : - les méthodes descendantes (dites « top- down ») consistant à graver des matériaux pour former des motifs nanométriques, - les méthodes ascendantes (dites « bottom- up ») consistant à assembler des objets de taille moléculaires selon une géométrie définie et bien contrôlée pour former des objets complexes plus gros, structurés à l’échelle moléculaire. Figure : Cartographie de la concentration de lumière par une nano-antenne optique éclairée par un faisceau laser (longueur d’onde : 800nm). L’intensité lumineuse est représentée en échelle de gris et la géométrie de la nano-antenne en or est superposée en jaune. Sa largeur est de 40nm et son épaisseur est de 30. Elle est déposée sur un substrat ITO transparent et a été réalisée par lithographie électronique à l’Université de Technologie de Troyes. La mesure a été faite au laboratoire de nanophotonique du CEA à Saclay, par une technique basée sur la photoémission d’électrons. Une augmentation d’intensité d’un facteur supérieur à 10 est observée dans l’entrefer de l’antenne.
  • 24. 24 En attendant d’utiliser des nano-antennes plasmoniques pour réaliser nos objets d’étude par nano-lithographie, nous utilisons des techniques de nanofabrication top-down classiques dans le cadre de collaborations avec des laboratoires partenaires : lithographie électronique (type lift-off, avec MINATEC à Grenoble, ou le LNIO, à l’Université de Technologie de Troyes), faisceau d’ion focalisé (FIB, avec le Laboratoire photonique et Nanostructures à Marcoussis).Parallèlement, pour nos propres besoins de nanofabrication, nous développons des méthodes bottom-up d’auto-assemblage moléculaire, en collaboration avec des équipes de synthèse organique (LCP à l’Université Pierre et Marie Curie, et ITODYS à l’Université Paris-Diderot). Ces techniques consistent à concevoir des briques de construction moléculaires capables de s’assembler spontanément entre elles par reconnaissance moléculaire pour former un réseau organisé. Ce réseau peut faire partie de l’objet réalisé ou être utilisé comme masque pour la croissance d’autres nano-objets. Certains laboratoires utilisent même l’ADN pour réaliser de tels auto-assemblages dont la géométrie est imposée par la séquence des bases ACGT (techniques dites d’origami ADN). Kamitis : Quelles sont les applications visées? F. CHARRA : Bien que tous basés sur les mêmes principes physiques que j’ai décrits précédemment, nos projets de recherche visent des domaines d’application très variés. Ils sont donc menés avec de nombreux partenaires issus des différentes communautés scientifiques ou technologiques intéressées dans chaque cas. Nous développons par exemple des sondes biologiques. Nous avons breveté récemment des systèmes de marquage de l’ADN utilisable pour les nouvelles techniques de microscopie 3D des biologistes (microscopie de fluorescence multiphotonique). Ces sondes ne deviennent fluorescentes et donc visibles au microscope, que lorsqu’elles s’attachent à l’ADN. Ces développements sont menés en collaboration avec l’Institut Curie (Orsay) et intéressent les fabricants de bio-marqueurs. Les études de cytotoxicité sont en cours en vue d’utilisation in- vivo. Un autre exemple d’application à court terme est la réalisation de nano-capteurs optiques formés en extrémité de pointes de microscopes à force atomique (AFM). Ces capteurs sont basés sur un processus d’optique (effet non-linéaire de génération de second harmonique) permettant l’obtention d’une source de lumière très localisée, venant exciter la surface pour l’analyser ou même la modifier localement. La réalisation de ces objets, dont le principe a été breveté, est menée en collaboration notamment avec une entreprise fabriquant et commercialisant des AFM et les sondes (cantilever) associées. Figure : Image 3D de cellules biologiques (CHO-K1) fixées au cours de la mitose, obtenue par microscopie de fluorescence multiphotonique. L’ADN a été marqué par le label développé en collaboration entre l’institut Curie à Orsay et le laboratoire de nanophotonique du CEA / Saclay, de façon à isoler l’image des chromosomes. Plus de détails, voir : http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja404422z Parmi les applications à plus long terme, je peux citer le développement de nano-lasers, mené en collaboration avec le LNIO, à l’Université de Technologie de Troyes, où l’exploitation de nos techniques d’auto-assemblage pour réaliser des nano-plots magnétiques pour le stockage d’information à très haute densité, en collaboration avec des équipes de chimie organique et de matériaux magnétiques à l’Université Pierre et Marie Curie. Comme vous le voyez, les nanosciences et nanotechnologies constituent des domaines de recherche extrêmement pluridisciplinaires !
  • 25. 25 Positionnée à l’interface des différents acteurs de l’écosystème des nanotechnologies, Nanothinking est une société française de conseil en innovation spécialisée dans les nanotechnologies. Associant des compétences techniques en nanosciences et une compréhension des enjeux industriels, Thomas Nappez nous explique sa vision du domaine des nanotechnologies. Kamitis : Comment définissez-vous le positionnement de NanoThinking dans la sphère de l’innovation? T. NAPPEZ : Créée par trois ingénieurs- docteurs, NanoThinking offre des services spécifiques et adaptés à chacun de ses clients, industries, académiques et institutionnels. Les principaux services que nous développons et commercialisons concernent le support à la coordination et à la gestion de projets de recherche collaboratifs, la mise place de cellule de ressourcement technologique chez les grands groupes industriels, et l’animation du premier salon en ligne des start-up et PME innovantes impliquées dans les nanotechnologies. C’est précisément grâce à ce positionnement en lien avec l’ensemble des acteurs impliqués dans les nanotechnologies, que nous sommes aujourd’hui en mesure de fournir une vision claire et globale des bonnes stratégies à adopter vis-à-vis des enjeux et des opportunités offerts par les nanotechnologies. Les nanotechnologies ont la particularité d’être un point de rencontre entre différentes disciplines scientifiques. Prenons l’exemple d’une puce électronique permettant de déterminer en quelques minutes la présence ou l’absence du virus du sida dans le sang. La réalisation de cette puce nécessite une démarche pluridisciplinaire incluant des compétences fortes en physique, en chimie, en biologie et dans les techniques de fabrication issues de la microélectronique. Afin de faciliter les collaborations industrielles, nous avons créé le premier salon en ligne dédiée aux nanotechnologies, la NanoTechMap, où chaque entreprise peut présenter en quelques clics ses produits et ses offres afin de gagner en visibilité et d’accéder plus rapidement à son marché. Kamitis : NanoTechMap, la carte interactive des nanotechnologies, aura bientôt un an. Pouvez-vous nous parler de cet outil? T. NAPPEZ : La NanoTechMap est le premier salon virtuel dédié aux nanotechnologies. Elle est accessible directement en ligne et est la suite naturelle de la version française que nous avions réalisée en février 2013. Elle en reprend l’ergonomie, une cartographie interactive et collaborative des entreprises, mais l’élargit à l’international et comporte des outils de filtre et de recherche afin d’identifier très rapidement ses futures meilleurs clients, fournisseurs et partenaires. Salon virtuel pour les nanotechnologies Thomas NAPPEZ Cofondateur & directeur commercial Nanothinking " Les nanotechnologies : un nouveau paradigme" CONTACT: thomas.nappez@nanothinking.com https://www.nanothinking.com/
  • 26. 26 Près de 4000 sociétés sont déjà enregistrées sur ce salon et nous avons chaque jour de nouveaux inscrits ! Cet écosystème riche est principalement réparti entre l’Europe et les Etats-Unis. Notre couverture de l’Asie, encore faible aujourd’hui, est en pleine évolution avec des partenariats noués avec nos homologues locaux. Kamitis : Quel bilan faites vous concernant l’écosystème des nanotechnologies en France et dans le monde ? Concernant l’Europe, l’Allemagne et la Suisse arrivent en pole position en termes de concentration technologique. La France est en quatrième position au classement derrière le Royaume-Uni grâce à une forte activité dans les nano-capteurs et les nanosystèmes. Elle est particulièrement bien positionnée sur les sujets de l’électronique imprimée, des microsystèmes électromécaniques (MEMS) et de la microfluidique. En revanche, les domaines des services liés aux nanotechnologies et de l’instrumentation associée à la nanofabrication et la nanocaractérisation sont peu développés comparativement à nos voisins. Question commune : Kamitis : D’après vous, quels sont les enjeux et les défis que les nanotechnologies pourrons relever demain ? Stéphane DANIELE : Les nanotechnologies présentent des enjeux multiples qui se manifestent à tous les niveaux (scientifiques, économiques et sociétaux). Devant ces défis majeurs, la France peut se prévaloir de forces reconnues internationalement : des équipes de recherches pluridisciplinaires, des bataillons de physiciens, chimistes, électroniciens, informaticiens… mettent toute leur énergie dans des domaines innovants, porteurs de nouveaux secteurs applicatifs et d’excellence. Dans cette aventure audacieuse, c’est l’étape de la valorisation qui est la plus délicate. En effet, le passage du laboratoire à l’industrialisation puis à la commercialisation reste particulièrement difficile. Et comme dans tous les secteurs où l’on ouvre de nouvelles possibilités, il faut être vigilant. La déclaration de nanoparticules (voir focus) imposée depuis janvier 2013 a été pensée dans cette optique là. Le problème c’est que ces déclarations, qui ont pour but d’assurer une traçabilité des nanoparticules, dissuadent certains industriels à tenter l’aventure nano et donc ralentissent le développement de pas mal d’acteurs de ce marché. Depuis mars 2011, je me suis lancé dans l’aventure entrepreneuriale afin de valoriser un savoir-faire rare en ingénierie moléculaire et de transformer les brevets en une source de valeur et une source de création d’emplois. Le marché des nano est encore très peu mature. A cause de difficultés de manipulation, d’intégration et de formulation, il y a très peu de sociétés qui utilisent aujourd’hui les nano dans les revêtements par exemple. Mais la technologie développée par Lotus Synthesis est riche de promesses! Si nos premiers développements sont aujourd’hui sur le marché, d’autres sont encore à venir.
  • 27. 27 François LUX : On assiste depuis un certain nombre d’années à une explosion du nombre de recherches menées sur les nanotechnologies et ce en particulier dans le domaine de la médecine. Ces recherches ont donné lieu à de nombreuses publications en raison des caractéristiques très séduisantes des nanoparticules. On peut citer entre autres l’accès à de nouvelles propriétés qui apparaissent à l’échelle nanométrique (optiques pour les boîtes quantiques ou les nanoparticules d’or ou magnétiques pour les nanoparticules d’oxyde de fer), ou encore la possibilité de se servir de la nanoparticule comme d’une plateforme sur laquelle il est possible d’ajouter un grand nombre de fonctionnalités complémentaires et enfin la possibilité de contrôler le devenir de la nanoparticule en jouant sur sa forme, sa taille ou encore en ajoutant des biomolécules à sa surface. Néanmoins malgré ces caractéristiques attractives, pour le moment on ne voit encore que très peu de nanoparticules sur le marché en comparaison du nombre de publications qui sortent sur le sujet. Pour le moment, on dénombre surtout différents types de nanocapsules (micelles, polymères, liposomes…) pour la délivrance de médicaments ou les nanoparticules d’oxydes de fer comme agents de contraste négatifs en IRM. Finalement la plupart des nanoparticules sur le marché actuellement sont des nanoparticules organiques souvent composées de sous-produits déjà présents dans le corps pour limiter leur toxicité. La composante inorganique d’une nanoparticule est souvent un frein car lorsque les métaux ne peuvent pas être métabolisés comme c’est le cas du fer, une élimination totale et rapide des nanoparticules semble indispensable. C’est sans doute là que les nanoparticules inorganiques d’une taille inférieure à 10 nm ont leur rôle à jouer car elles bénéficient de cette élimination tout en pouvant inclure un grand nombre de fonctionnalités permettant de les envisager comme agent de contraste bimodal ou pour le théranostic : concept issu de la contraction de thérapie et diagnostic qui consiste à profiter des propriétés d’agent d’imagerie de la nanoparticule pour donner un diagnostic qui permettra la détermination d’un traitement adapté au patient. Notamment dans notre cas, le rôle de l’étape d’IRM est de déterminer le meilleur moment pour lancer la radiothérapie, c’est-à-dire le moment où la concentration en nanoparticules est maximale dans la tumeur et minimale en dehors. Les premières expériences sur rats porteurs de gliome réalisées en décalant le temps de l’irradiation après l’injection des nanoparticules montrent que l’on obtient une bien meilleure efficacité du traitement lorsque l’on s’est assuré qu’il n’y a plus de nanoparticules dans la zone saine au moment de l’irradiation validant cette approche theranotisc. D’un point de vue mécanistique, les théories conventionnelles d’augmentation de dose semblent maintenant obsolètes au regard des nouveaux phénomènes observés. Ceci ouvre des perspectives considérables pour l’amélioration des traitements de radiothérapie (actuellement près d’un patient sur deux atteint d’un cancer et soumis à un traitement de radiothérapie). Fabrice CHARRA : Les nanotechnologies ont déjà des applications, parfois anciennes ! On les trouve même dans la nature : les couleurs des ailes de papillons, les facultés d’accroche des pattes de geckos, exploitent les propriétés liées aux échelles nanométriques. Les couleurs des vitraux sont également dues aux propriétés de nanoparticules métalliques incluses dans les verres ; nos ancêtres faisaient des nanotechnologies sans le savoir ! Les diodes électroluminescentes et diodes laser actuelles sont basées sur des multicouches, appelées puits quantiques, dont l’épaisseur est nanométrique. Bien qu’elles aient été mises au point avant que le terme de nanotechnologies ne s’impose, elles en font partie. Ainsi, les nanotechnologies constituent plus une évolution technologique continue qu’une révolution technologique soudaine.
  • 28. 28 A mon avis, les toutes prochaines applications se trouveront dans les surfaces nanostructurées : surfaces non-mouillantes, autonettoyantes, etc. Ces surfaces auront également des applications en électrochimie, catalyse et même pour la cosmétique ! Les sciences et techniques du vivant devraient bientôt pouvoir bénéficier de nano-objets transportant des médicaments et les libérant là où ils sont utiles et quand ils sont utiles. On peut imaginer des évolutions vers un contrôle actif de la libération de médicaments, par exemple sous l’effet de stimulations chimiques ou optiques. De même, les nano-antennes plasmoniques que j’ai décrites où des systèmes équivalents, auxquelles seraient associées des fonctions de reconnaissance moléculaire, pourront bientôt être utilisés en photothérapie, afin de détruire sélectivement certaines cellules. J’ai déjà mentionné des applications possibles dans les domaines de l’énergie photovoltaïque, de l’éclairage électroluminescent et du stockage de données à toujours plus haute densité. Toutes les applications à court terme mentionnées jusque-là concernent des nano- objets dispersés, agissant individuellement sans relations entre eux. A plus long terme, un enjeu énorme est la réalisation d’assemblages complexes de nano-objets organisés, connectés entre eux, tels les portes et transistors d’un circuit intégrés, éventuellement même en volume. Par exemple, cela ouvrirait la voie à de nouveaux paradigmes de traitement de l’information, basés sur l’électronique à un électron ou la photonique à un photon. Magali Phaner-Goutorbe : On sait aujourd'hui fabriquer des nano-objets (nanoparticules, nanofils, nanocapsules, quantum dots...) ayant des propriétés remarquables spécifiques à leur petite taille lorsqu'ils sont isolés mais aussi spécifiques à leur organisation lorsqu'ils sont assemblés pour former des surfaces nanostructurées. Individuellement ou assemblés ils offrent de nouvelles applications dans différents domaines, comme la photonique, la vectorisation des médicaments, les surfaces intelligentes. Très souvent pour créer ses nano- objets, les scientifiques se sont inspirés de l'architecture complexe des systèmes vivants, (biomimétisme). Je pense que dans le futur un des enjeux majeurs des nanotechnologies et de leurs outils tels que les techniques de champ proche vont être d'explorer de plus en plus le monde de la biologie, à la fois dans le but de mieux comprendre le comportement du vivant à l'intérieur même de la cellule et réparer ses disfonctionnements mais aussi pour s'en inspirer. J'ai beaucoup d'espoir dans le développement de nanosystèmes hybrides, biologiques et minéraux pouvant cibler et soigner directement les cellules malades. L'ultrafast AFM permet aujourd'hui de suivre en direct le déplacement d'une molécule de myosine V sur un filament d'actine, on peut ainsi étudier des mouvements de moteurs moléculaires qui pourront être ensuite introduits comme outils dans les nanosystèmes hybrides pour des applications en nanomédecine. Le levier de l'AFM est un outil de choix pour déplacer, manipuler des nano-objets, on peut imaginer dans un futur proche de souder à l'échelle nanométrique avec la pointe, et en contrôlant des matrices de leviers d'élaborer des nanosystèmes sous pointe.
  • 29. 29 Thomas NAPPEZ : Les nanotechnologies sont présentes dans de nombreux domaines industriels depuis plusieurs décennies. C’est notamment le cas de la microélectronique où la course à la miniaturisation a rapidement conduit les chercheurs et les ingénieurs à travailler aux échelles « nano ». On trouve aujourd’hui de nouvelles applications des nanotechnologies dans des secteurs à forte croissance. Citons par exemple le cas de l’électronique imprimée qui permet d’obtenir des composants électriques et optiques souples où les applications sont seulement limitées par notre imagination. La nanocellulose est également un matériau à haut potentiel. Elle est constituée de nano-fibre de cellulose (principal constituant du papier) et ses applications vont du renforcement mécanique (papier ou composite), à la formulation de textures naturelles pour l’agro-alimentaire ou la cosmétique. C’est une autre caractéristique des nanotechnologies : en faisant variant uniquement la taille d’un nanomatériau, on peut modifier ses propriétés physiques. Par exemple, on peut obtenir à partir de nanocristaux de tailles différentes des émissions lumineuses de couleurs différentes à partir d’un seul et même matériau. C’est une autre caractéristique des nanotechnologies : en faisant variant uniquement la taille d’un nanomatériau, on peut modifier ses propriétés physiques. Par exemple, on peut obtenir à partir de nanocristaux de tailles différentes des émissions lumineuses de couleurs différentes à partir d’un seul et même matériau. Pour chacune de ces applications, une analyse bénéfice/risque rigoureuse doit être conduite de manière fine et systématique. En effet et à titre d'exemple, les nanoparticules d’argent, très réactives et potentiellement nuisibles pour l’environnement, sont à la fois utilisées dans du mobilier d’hôpital pour lutter contre les maladies nosocomiales et dans des chaussettes anti-odeur. Ces chaussettes sont également utilisées par des patients diabétiques extrêmement sensibles aux infections cutanées. L'analyse d'un nanomatériau donné doit donc être conduite pour chaque application et usage envisagés. Enfin, le développement industriel des nanotechnologies implique le développement de protocoles de mesures et de normes spécifiques afin de mettre en place la traçabilité de mesures à ces échelles. En effet, de nombreuses réalisations technologiques sont aujourd’hui encore à l’état de prototypes car les productions à plus grandes échelles souffrent parfois d’un manque de reproductibilité lié au coût important de la caractérisation et au manque de normes et de protocoles. .
  • 30. 25