II.Bottom-up : technique ascendante
Les techniques principales de l’approche « bottom up » sont la synthèse chimique et l’auto assemblage.La synthèse chimique produit des matériaux bruts, tels que des molécules ou des particules, qui peuvent être utilisés tels qu’ils sont produits ou comme éléments de base pour la réalisation de structures plus ordonnées. La synthèse utilise généralement un précurseur à l’état solide, liquide ou gazeux et un changement de phase est opéré pour qu’une réaction chimiques ultérieure puisse donner naissance aux nano particules. Les étapes ultimes sont le séchage ou la calcination suivi d’un séparation des produits obtenus.
Les nano poudres métalliques, les fullerènes, les nano tubes de carbone et les céramiques sont généralement réalisés par des procédés de condensation gazeuse.
L’auto assemblage est une technique « bottom up » qui se réalise par le biais d’interactions non covalentes.
Auto assemblage
L’auto assemblage est une technique « bottom up » qui est une science récente, mais très utilisée dans les nanotechnologies, et en particulier dans les nano biotechnologies.Basée sur un assemblage non covalent de structures plus petites pour former des agrégats ordonnés, elle met en œuvre des éléments de construction capables d’effectuer spontanément leur sélection et leur assemblage. Seules les lois physiques sont utilisées, il n'y pas de manipulation " directe" humaine.
L’élément de cohésion, ou "colle" , entre les molécules peut-être électrostatique, sous forme d’interaction électrique entre charges opposées ; ou être une liaisons hydrogènes (interaction donneur- accepteur) : ou bien des forces d’interaction dipôle-dipôle ou des effets hydrophobiques.
EXEMPLE : Le savon, qui est un acide gras avec une partie très hydrophobe ( chaîne carbonée saturée ) et une partie hydrophile ( carboxylique très ionisée = COOH )
La chaîne carbonée est très hydrophobe ( est "repoussée" par l'eau ), alors que le carboxylique est hydrophile (" se tourne " vers l'eau). Dans l'eau, les molécules vont chercher à s'agencer avec d' autres, de façon à ce que les zones hydrophobes se tournent vers d'autres zones hydrophobes, et les zones hydrophiles, vers l'eau. Ainsi, on obtient une structure auto assemblée.
D’autres molécules possèdent une structure semblable à celle du savon, avec une partie hydrophile et une partie hydrophobe. Cependant il existe d’autres structures auto assemblées que celle du micelle. Ainsi, en utilisant les lois de la physique, on peut obtenir des structures variées par auto assemblage.
Exemple de nano sphère créée par auto assemblage d’environ 4 µm de diamètre.
CVD : Chemical Vapor Deposition
Les matériaux de départ sont des composés carbonés gazeux et des hydrocarbures. Pour réaliser le dépôt, on utilise un catalyseur métallique (qui va accélérer la réaction sans en changer le bilan).La solution d'hydrocarbure est chauffée en présence des composés carbonés gazeux dans un four, où se trouve également un tube propre, contenant le catalyseur. On fait circuler un gaz non réactif qui "évacue" les particules indésirables. La température dans le four peut varier entre 300 et 1150 °, et l'opération peut durer de 5 minutes à plusieurs heures, selon la longueur des nano tubes souhaitée.
Les hydrocarbures et les composés gazeux vont réagir, le catalyseur accélérant la réaction, pour former du carbone, et d'autres produits (qui n'ont pas d'intérêts ici).
Le carbone, alors présent sous forme de suie sur les parois du tube et sur le catalyseur, est en réalité agencé en nano tubes. Ainsi, il ne reste qu'à les collecter, même si cette opération reste délicate. Le diamètre des tubes se détermine en fonction du catalyseur.
On voit bien ici les nanotubes formés, ainsi qu'une importante quantité de résidus difficiles à séparer des nanotubes.
Ablation laser
Dans le cas de l’ablation laser, un laser est utilisé pour vaporiser des atomes de carbone à partir d’une cible en graphite. L’ablation laser produit en général des nano tubes à une seule paroi.Application à la nano biotechnologie:
Les nano tubes de carbones ont un intérêt très important : en enfermant des substances actives (médicaments) dans ces mêmes nano tubes, on crée un véritable nano médicament. Le défi actuel réside dans le « placement » de la substance active dans le nano tube. Des techniques sont en cours d’élaboration, mais il reste difficile de lier une molécule organique (médicament) à une autre inorganique ( nano tube ) sans rajouter d’autres facteurs qui pourraient altérer la substance organique ou même le nano tube.Dans le cas de la nano sphère (voir plus haut), le même problème se pose alors: comment y faire entrer la substance active ?
Par ailleurs en combinant cette fois différentes techniques( non plus une seule comme dans les deux cas précédents) avec une préférence pour l'auto assemblage, il est aujourd'hui possible de concevoir et de fabriquer des structures pouvant être exploitées en temps que nano biotechnologies.
On obtient ainsi une nano particule pouvant être utilisée pour le stockage de l'information, qu’il serait possible d’intégrer dans une bio chip servant au diagnostique d’une maladie (voir partie 2).
A droite, un agrandissement montre que les réseaux sont en parfaite épitaxie, c'est-à-dire que leurs constituants sont alignés.
Cette structure a été obtenue grâce à l’utilisation d’une technique semblable à la CVD ,au départ, puis avec un enchaînement d’auto assemblages basés sur des lois électromagnétiques complexes et d’autres chimiques.