Science des matériaux
La scène macabre de ‘3-Body Problem’ est-elle proche de la réalité ?
La quête humaine de l'optimal est insatiable et sans fin. Les scientifiques des matériaux recherchent toujours le plus fin, le plus résistant ou le plus léger. Dans cette quête, une équipe de chercheurs du Laboratoire de théorie et de simulation des matériaux à l'EPFL de Lausanne, faisant partie du NCCR MARVEL, a utilisé des méthodes computationnelles pour déterminer ce qui pourrait être le fil métallique le plus fin possible.
Avant d'approfondir leur recherche et ses spécificités, jetons un œil à la vision théorique qui a motivé la recherche.
La recherche pour atteindre la limite ultime de la miniaturisation
La recherche s'est concentrée sur les matériaux unidimensionnels. Elle a commencé avec le postulat que ces matériaux pourraient posséder des propriétés électroniques uniques, citant des exemples tels que les nanotubes de carbone, les nanofils ultra-fins et les chaînes atomiques de quelques atomes.
En raison de leur potentiel d'adéquation pour les applications de prochaine génération, les chercheurs sont devenus de plus en plus curieux et désireux d'explorer d'autres sources pour produire ces matériaux.
Les chercheurs ont identifié que l'exfoliation de matériaux en vrac pouvait servir de source naturelle pour les fils unidimensionnels. Par conséquent, ils ont consulté une base de données de matériaux unidimensionnels qui pouvaient être exfoliés à partir de composés van der Waals tridimensionnels connus expérimentalement. Cette exploration a finalement conduit à la découverte de plusieurs fils stables.
Cependant, la découverte la plus importante a été la localisation du fil métallique exfoliable le plus fin possible, CuC2. Cette découverte représente une étape majeure dans la quête de la communauté scientifique pour atteindre la limite ultime de la miniaturisation.
Lorsqu'elle parlait de la découverte, Chiara Cignarella a déclaré:
“C'est vraiment intéressant car on ne s'attendrait pas à ce qu'un véritable fil d'atomes le long d'une seule ligne soit stable dans la phase métallique.”
Une quantité importante d'expérimentations a été nécessaire pour atteindre le fil métallique CuC2, une chaîne linéaire composée de deux atomes de carbone et d'un atome de cuivre — le nanofil métallique le plus fin possible, stable à 0 K.
Le point de départ était une collection de plus de 780 000 cristaux — sélectionnés parmi diverses bases de données — maintenus ensemble par des forces de Van der Waals. Ces forces existent comme des interactions faibles entre atomes dont les électrons sont suffisamment proches pour se chevaucher. Les chercheurs ont ensuite examiné plus en profondeur ces matériaux afin de découvrir leur organisation spatiale et d'évaluer l'énergie nécessaire pour séparer la structure unidimensionnelle du reste du cristal.
Ce filtrage a conduit à une liste de 800 matériaux unidimensionnels, qui a ensuite été réduite à 14. Les chercheurs ont finalement pris cet échantillon de 14 et l'ont calculé de manière plus détaillée pour vérifier leur stabilité et évaluer leur comportement électronique.
Les résultats finaux ont indiqué deux métaux et deux semi-métaux comme les plus intéressants. L'un de ces quatre était le fil métallique CuC2, une chaîne linéaire avec deux atomes de carbone et un atome de cuivre. On pourrait l'appeler le nanofil le plus fin possible, stable à 0K, et exfoliable à partir de trois cristaux parents différents:
- NaCuC2
- KCuC2
- RbCuC2
La particularité de CuC2 était qu'il nécessitait peu d'énergie pour l'extraction et — en tant que chaîne — pouvait être plié sans altérer ses propriétés métalliques.
Les chercheurs prévoient de poursuivre leurs travaux sur cette découverte. Ce processus comprendra non seulement la synthèse de nouveaux matériaux, mais aussi l'investigation de la capacité de ces matériaux à transporter des charges électriques et l'évaluation de leur comportement à différentes températures.
Bien que cette recherche particulière ait conduit à une percée, le travail scientifique autour des nanofibres n'est pas nouveau et se poursuit depuis un certain temps déjà. L'intérêt pour ces fils métalliques a été si intense qu'ils ont également été mentionnés dans la culture populaire.
L'une des mentions les plus connues des nanofibres se trouve dans 3 Body Problem, la série de science-fiction 2024 basée sur Remembrance of Earth’s Past de Liu Cixin. L'utilisation des nanofibres dans la série et les développements qui l'entourent dans le domaine de la recherche scientifique réelle nous font penser qu'il s'agit d'un monde de science-fiction plus proche de la réalité que nous le pensions.
Nanofibres dans ‘3 Body Problem’
3 Body Problem utilise les concepts de la nanotechnologie comme partie intégrante de son récit. L'un des personnages de la série, le Dr Auggie Salazar, interprété par Eiza Gonzalez, est un expert dans ce domaine qui a révolutionné ce champ d'étude.
L'utilisation des nanofibres, cependant, est bien plus qu'un élément d'établissement de personnage pour Auggie dans la série. C'est un outil crucial pour mettre en place la plus grande et la plus horrifique séquence de la série. La technologie des nanofibres est utilisée ici comme une arme pour préserver la technologie à bord d'un vaisseau ennemi, le Judgment Day.
Le vaisseau a été affrété par le milliardaire reclus et sympathisant des extraterrestres Mike Evans, un personnage interprété par Jonathan Pryce. La nanofibre – dans ce vaisseau – est utilisée comme une grille ultra-tranchante qui finit par tuer tout le monde à bord de la manière la plus brutale et violente possible tout en conservant la technologie extraterrestre Trisolan récupérable pour que les humains puissent en profiter.
La scène a suscité de nombreuses spéculations quant à sa viabilité et à la possibilité pour les nanofibres de réellement couper des bateaux, des diamants, des humains, et plus encore.
Mais ce qui semble plus important maintenant est la question de la proximité de notre réalité technologique avec la science-fiction. Au moins dans le cas des nanofibres, elle est plus proche que nous le pensons. Les nanofibres ont de nombreuses applications réelles, et nous explorerons certaines d'entre elles dans les prochains segments.
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Nanofibres et leurs applications réelles
Une revue complète revue du potentiel d'application pratique des nanofibres montre qu'elles pourraient être utilisées pour la délivrance de médicaments, la filtration de l'eau, les applications biomédicales, le stockage d'énergie, les vêtements de protection, et plus encore.
Dans le domaine de la santé, les pansements de plaies à base de nanofibres se sont avérés extrêmement utiles en créant un environnement propice à la régénération des tissus. De même, pour la délivrance de médicaments, les nanofibres libèrent efficacement les médicaments à un rythme contrôlé, améliorant l'adhérence du patient et minimisant les effets secondaires. De plus, en science médicale, les nanofibres soutiennent l'ingénierie tissulaire et la médecine régénérative, où des échafaudages de nanofibres peuvent être développés pour imiter la matrice extracellulaire, favorisant la croissance de tissus et d'organes fonctionnels.
Ensuite, dans la dépollution environnementale, les nanofibres aident à purifier l'eau et l'air. Les membranes à base de nanofibres peuvent éliminer les polluants. De plus, les nanofibres facilitent la fabrication de composants électroniques flexibles et extensibles tels que les capteurs et les textiles conducteurs, contribuant à la technologie portable et aux interfaces homme-machine.
Dans le domaine des technologies avancées, les nanofibres ont la capacité d'offrir des capacités de stockage d'énergie pour les batteries avancées et les supercondensateurs. Leur grande surface et leur porosité les rendent adaptées à ces applications. Les nanofibres s'avèrent également efficaces pour les applications technologiques de pointe destinées aux explorations spatiales, répondant aux critères de propriétés qualifiantes — légères mais solides, durables mais sûres.
Tous ces potentiels d'application font des nanofibres un matériau puissant pour les entreprises technologiques. De nombreuses entreprises travaillent dans le domaine des nanofibres et du développement connexe. Ci-dessous, nous discutons de quelques-unes d'elles.
#1. Kato Tech
Kato Tech se démarque de nombreux concurrents dans le domaine grâce à l'efficacité qu'elle a introduite dans le système de fabrication des nanofibres. L'unité d'électrofilage de nanofibres de l'entreprise utilise des techniques d'électrofilage pour produire de manière sûre et facile des nanofibres avec des diamètres de 50 à 800 nm. L'appareil Kato Tech est capable de produire des nanofibres même à partir d'une petite quantité de polymères divers.
En expliquant pourquoi le déploiement de Kato Tech représente une percée pour l'industrie des nanofibres, Yoshihiro Yamashita, professeur au Centre de recherche sur les fibres et les matériaux de l'Université de Fukui, a déclaré:
“Kato Tech Co., Ltd. au Japon a entrepris le développement d’un dispositif d’électrofilage pour usage en laboratoire et a créé un système comprenant un générateur de tension et une buse, un mouvement de rouleau, une pompe à seringue quantitative, et une fonction de tirage. Ce dispositif intégrait largement les idées du Dr Frank Ko de l’Université Drexel, une autorité de premier plan en électrofilage, et a rendu possible la création de nanofibres facilement en utilisant l’électrofilage.”
L'appareil possède une électrode positive pointue (capillaire) et une électrode négative plate (mise à la terre). Lorsqu'une haute tension est appliquée entre les deux électrodes, elle attire le polymère fondu chargé ou la solution polymère du capillaire à travers le champ électrique vers l'électrode négative. En conséquence, les polymères à faible cohésion moléculaire deviennent une pulvérisation, et ceux à forte cohésion moléculaire se séparent davantage en fibres, sont attirés vers l'électrode négative et forment à nouveau une fine couche de fibres.
Selon ses derniers rapports financiers disponibles, Kato Tech a réalisé un chiffre d'affaires de 29 568 millions de yens au cours des six premiers mois se terminant le 30 septembre 2022, enregistrant une croissance annuelle de 13 %.
#2. American Elements
Une autre entreprise qui travaille de manière exhaustive dans la nanotechnologie est American Elements. Ses produits couvrent les domaines des nanoparticules et nanopoudres, dispersions de nanoparticules, nanomatériaux fonctionnalisés, nanomatériaux à base de carbone, et encres, prismes, tiges, sphères, tubes, fils nanotechnologiques, et plus encore.
Si nous nous concentrons uniquement sur les capacités de nanofils de l'entreprise, nous verrons qu'elle possède des nanofils en aluminium, or, silicium, iridium, cobalt, fer, argent, cuivre, plomb, manganèse, nickel, et bien d'autres.
Si nous parlons spécifiquement des nanofibres, l'entreprise propose des nanofibres de carbone et de nitrure de silicium. Ses nanofibres de carbone sont des nanostructures tubulaires à haute surface avec des applications dans l'énergie alternative, l'électronique et la médecine, tandis que ses nanofibres de nitrure de silicium sont efficaces dans les solutions alimentaires, agricoles, pharmaceutiques et optiques.
American Elements affirme être le plus grand fabricant mondial de matériaux conçus et avancés. Il fournit à la fois des conseils techniques et des produits fabriqués dans un catalogue en ligne de plus de 12 000 pages qui comprend plus de 3 000 articles d'éléments métalliques, chimiques, céramiques, et cristallins.
L’avenir alimenté par les nanofibres
Les développements liés aux nanofibres seront bientôt visibles à travers le monde. Un pays qui a réalisé des progrès remarquables dans ce domaine est le Japon. Selon les données fournies par MECC Nanofiber, le nombre d'articles liés aux nanofibres dépasse 40 000 au Japon au 27 mars 2024.
Les nanofibres ont déjà démontré leur viabilité commerciale en permettant des produits haute performance tels que les filtres et les masques faciaux. Ces produits bénéficient de la haute efficacité de collecte de poussière des nanofibres et de la faible perte de pression.
Les nanofibres offrent des avantages significatifs dans les secteurs biomédical, med-tech et de la santé grâce à leurs propriétés polyvalentes les rendant utiles médicalement. Par exemple, elles sont d'excellents matériaux pour construire des échafaudages de prolifération cellulaire car elles adhèrent facilement aux cellules. Elles vont au-delà de la simple biodégradabilité ; elles sont bioabsorbables, se décomposant en toute sécurité dans le corps au fil du temps. En raison de leur porosité et de leur vaste surface, avec de petites ouvertures permettant la pénétration de solutions, les nanofibres présentent une excellente rétention d'humidité, une résistance physique et dynamique, et une élasticité réglable.
Nous avons déjà abordé les nombreux avantages des applications médicales du matériau. À l'avenir, les nanofibres seront également davantage adoptées comme absorbants transdermiques, peau artificielle à libération de médicaments, vaisseaux sanguins artificiels, cornées et peau, et même agents de remplissage pour os artificiels.
De plus, chaque jour nous rapproche des scénarios troublants décrits dans ‘3-Body Problem’, soulignant l'importance croissante de la recherche et du développement en nanotechnologie et nanofibres. Cette recherche est cruciale car elle aide les soins de santé régénératifs à progresser dans des scénarios de plus en plus complexes, ne constituant qu'un exemple parmi ses nombreuses applications potentielles.
Cliquez ici pour une liste de cinq entreprises leader du développement de la nanotechnologie.
