Prsentation PowerPoint

1
Jean-Claude Boudenot Thales Research Technology
Applications des nanotechnologies
2
Plan
Informatique et stockage de données Matériaux
et Manufacturing Santé et Médecine Energie
et Environnement Transport Sécurité Les
nanotechnologies dans les produits usuels
3
Informatique et stockage de données
Processeurs ayant une très faible consommation
et un très faible coût permettant laugmentation
de lefficacité des ordinateurs par un facteur
106 Mémoires de plusieurs Tbit (1000 Gbit)
Nanocapteurs avec capacité de calcul et de
communication de très faible dimension, poids et
consommation Plus haute fréquence de
communication utilisation du spectre
optique, augmentation de la bande passante
Calcul quantique
4
Informatique et stockage de données
100 million à 100 milliards MIPSDaprès la loi
de Moore la capacité de calcul du cerveau
pourrait être atteinte avant 2017
5
Composants nanométriques
Densité de stockage actuel qq 109 bits /
cm2 Actuellement au mieux 1 bit 100
atomes Capacité de stockage théorique X 1000
(1012 bits / cm2) ? Capacité de stockage
pourrait être de qq 1018 bits / cm3
6
IBM Millipede (mille-pattes)
Combine les avantages du disque dur (capacité de
stockage, 1 Tbit /in² visé) et des DRAM (rapidité
daccès) Principe présence ou absence de trous
nanométriques sur la surface dun polymère thermo
actif
7
IBM Millipede
3.1010 bits / cm2
10 nm
8
(No Transcript)
9
Enregistrement holographique
10
(No Transcript)
11
Enregistrement holographique
12
Enregistrement holographique
13
(No Transcript)
14
Smart dust components / smart sensors
Smart nanosensors   ? Autonomous in energy ?
Sensing ? Processing ? Communicating
15
Smart sensors
16
Smart sensors on micro flyers
UAV insect size
17
Calcul quantique
18
Chat de Schrödinger
Prenez un chat, du cyanure, une particule
radioactive, mettez le tout Dans une boîte et
attendez une heure ! Lettre de Schrödinger à
Einstein, 1935
?? gt 1/?2 ?Dead cat gt 1/?2 ?Alive cat gt
19
Calcul quantique
Un bit classique est à 1 ou à 0
En physique quantique une particule (fermion)
peut être dans un état de spin s ½ ou s
½ Un qubit peut être dans létat s ½ (état
1) ou dans létat s - ½ (état 0)
20
Calcul quantique
Un bit quantique peut avoir un nombre arbitraire
détats
?? gt ??0 gt ? ?1 gt
(0 ? ? ? 1 et 0 ? ? ? 1)
21
Calcul quantique
Cela car une particule quantique peut exister
dans deux états en même temps, par principe de
superposition (comme le chat de
Schrödinger) Cela veut dire que la particule se
trouve à la fois dans létat 0 et dans létat 1
22
Calcul quantique
Avant la mesure nous ne savons pas dans quel état
se trouve le Qubit
Un atome Le processus est complètement
aléatoire, comme pour le chat on ne peut pas
savoir avant la mesure si latome est vivant ou
mort Quelques atomes (2-20) Le processus
devient plus prédictible Beaucoup datomes
(comme le chat) Le comportement est classique
23
Calcul quantique
Avant la mesure le Qubit est à la fois dans
létat 0 et dans létat 1

• Dans un calculateur quantique, où les entrées et
  les sorties sont représentées par des 0s et des
  1s, toutes les combinaisons possibles peuvent
  exister simultanément

24
Calcul quantique
Est-ce de la science fiction ?
Confinement of electrons to quantum corrals on a
metal surface (IBM)
Delft
25
Calcul quantique Factorisation dun nombre en
nombres premiers
Considérons un n qubit (par exemple constitué
de n particules ayant un spin  haut  ou
 bas  Son état quantique est une
superposition de 2n états de base Pour n
1000 cela donne 21000 10300 (le nombre de
particules dans lunivers est 1040 ) Le
calcul quantique consiste à manipuler les n
qubits, par exemple avec un laser (cela revient à
calculer une fonction pour tous les jeux de
données simultanément) Lors de la mesure
(après manipulation) la superposition seffondre
dans lun des 2n états avec une probabilité égale
au carré de lamplitude de cet état (tout lart
de lalgorithmique quantique tient à amener cette
probabilité voisine de 1)
26
Calcul quantique
? et ?
27
Calcul quantique Algorithme de Shor (1995)
28
Calcul quantique Factorisation dun nombre en
nombres premiers
Exemple 105 3 x 5 x 7 Considérons un
nombre à n chiffres Le calcul classique est
exponentiel le meilleur algorithme est en 2 à
la puissance n1/3 Le calcul quantique
(algorithme de Shor) est simplement polynomiale,
il est en n2 Le calcul quantique nécessite un
langage spécial le  Quantum Computer Language
29
Calcul Quantique Difficultés
30
Calcul quantique
31
Calcul Quantique Qubit supraconducteur
32
Calcul Quantique Quantronium

• Le quantronium est un qubit supraconducteur
•  
• Le quantronium peut être préparé dans n'importe
  quelle superposition cohérente de ses deux plus
  faible valeur propre énergétique (les deux états
  du qubit)
•  
• Ces deux états du qubit sont caractérisés par
  des courants persistants dans la boucle dans les
  deux directions opposées
•  
• La boucle de courant, et par conséquent l'état
  de quantronium, est mesurée en appliquant une
  impulsion du courant à la grande jonction

33
Calcul quantique Première tentative
 Prototype  de calculateur quantique (Glaser,
Munich) utilisant la RMN  vue du spectromètre RMN
Ce calculateur utilise la RMN sur des molécules
organiques à 5 spins manipulées par des ondes
radio
34
Calcul quantique Première tentative
Université dInnsbruck
35
Calcul quantique Première tentative

• Le dispositif intégré ci-contre, est lun des
  plus évolué pour déplacer des qubits (ions) entre
  une  zone mémoire  et une  zone calcul ,
  comme cela est fait dans un microprocessseur
  électronique

Plusieurs centaines de millions dEuros par an
sont consacrés à léchelle mondiale à la
recherche en informatique quantique
36
Cryptographie Quantique
Quantum cryptography already exists 60 km with
OF 150 km with free space transmission
37
Cryptographie Quantique Boîtes quantiques uniques
38
Matériaux et manufacturing
Surface autonettoyante (effet lotus)
W. Barthlott, Univ. of Hamburg
Epicuticular wax
(Source Metin Sitti, CMU)
39
Surfaces nanostructurées autonettoyantes
Leffet Lotus
40
Surface autonettoyante

41
Verre autonettoyant
42
Verre autonettoyant
Le verre est traité avec une méthode chimique de
vaporisation pour déposer un nano-couche ( 50
nm) physiquement stable de dioxide de titane sur
la surface
43
Surfaces nanostructurées hydrophiles, antibuée
Traitement permanent antibuée
Des multicouches (8 à 20) alternées de
nanoparticules de silice et poly-allylamine
hydrochloride rendent une surface très
hydrophile. Un mince film deau se dépose et la
buée ne gène pas

Surfaces réversibles hydrophile ou hydrophobes
La nature peut combiner surfaces hydrophiles
et
surfaces hydrophobes
La nature
Le scarabée du désert de Namib
44
Cable
Climber
45
Ascenseur spatial
Le projet de Bradley Edwards consiste en un câble
central, le long duquel glisserait une
plate-forme montée sur des chenilles La poussée
permettant de mouvoir le dispositif serait
fournie par un laser qui, du sol, frapperait les
panneaux solaires installés sous la
plate-forme Edwards estime à 6 milliards de
dollars la réalisation d'un premier projet
46
Nano-céramiques matériaux composites
CondensateursElectronique
Miroirs
Otique
Médical
Aéronautique
47
Nano-céramiques matériaux composites
Si la céramique est composée de nanoparticules
dont la taille est bien inférieure à la longueur
donde, la lumière nest pas diffusée dans le
matériau
Quand la longueur donde est de lordre de
grandeur des grains dune céramique, la lumière
est diffusée dans tout le matériau
lumière
Céramique classique
Y3Al5O12
Dopé Nd
48
Nano-céramiques matériaux composites
CondensateursElectronique
Miroirs
Otique
Médical
Aéronautique
49
Projet européen 25 participants
Miroirs pour applications spatiales
Verre 60 kg / m2
Anciennement
CeSiC 25 kg / m2
CeSiC 25 kg / m2
Objectif
12 kg / m2 Rugosité de surface 0,8 nm
12 kg / m2 Rugosité de surface 0,8 nm
Technologie actuelle
Attente de Nanoker
50
Nano-céramiques matériaux composites
CondensateursElectronique
Miroirs
Otique
Médical
Aéronautique
51
Réacteurs - matériaux
Générations de matériaux

Titane Ti6A4V Ti6A4V composite avec monofilaments
de SiC


Compresseur
Turbine dentrée
Turbine
Réacteur GP 7200 équipant lA380
Chambre de combustion composite contenant des
nanoparticules de céramiques
Schéma de principe dun réacteur
52
Santé et médecine

• Ce  sous-marin  nanoscopique pourrait, dans un
  avenir proche, pénétrer dans les vaisseaux
  sanguins pour tuer des microbes, corriger des
  erreurs génétiques, supprimer des cellules
  cancéreuses, réparer des tissus

Biochip
53
Santé et médecine

• This nanoscopic submarine could, in the near
  future, penetrate in the blood vessels to destroy
  microbes, to correct genetic errors, to remove
  cancerous cells and to repair tissue

54
Santé et médecine
55
Santé et médecine

• Encapsulation de médicaments

Division of Engineering and Applied Sciences /
Department of Physics Harvard University
56
Santé et médecine
Administration de médicament par micro seringue
57
Santé et médecine
Administration de médicament
58
Santé et médecine
Détection de cellules cancéreuses
Détection de cellules cancéreuses
Diagnostic de diabètes mellitus Détection de
lacétone dans le souffle du patient

• Diagnostic du cancer
• Les cantilevers peuvent faciliter le diagnostic
  du cancer quand ils se lient aux molécules
  cancéreuse

59
Santé et médecine
Détection électrique de virus en solution par
transistors à effet de champ à nanofils
semi-conducteurs (silicium)
60
Santé et médecine

• Quand un virus chargé se lie aux récepteurs (par
  exemple, anticorps) liés au détecteur, la
  conductibilité du nanofil semi-conducteur change
  et quand le virus se détache la conductivité
  revient à sa valeur initiale

61
Santé et médecine
Matériaux implantables, réparation des os
62
Santé et médecine
Matériaux biorésorbables
63
Santé et médecine Aide à la vision, implant
rétinien
64
Santé et médecine
Aide à la vision, implant rétinien
65
Santé et médecine
Aide à la vision, implant rétinien

• Linterface avec les neurones est réalisées à
  laide de connections par canaux microfluidiques
  les stimulations sont réalisées par voies
  chimiques

Makoto Ishida Department of Electrical
Electronic Engineering, Toyohashi University of
Technology
66
Santé et médecine
Aide à la vision, implant rétinien
Makoto Ishida Department of Electrical
Electronic Engineering, Toyohashi University of
Technology
67
Santé et médecine

• Biocompatibilité à long terme possible grâce à
  des structures exceptionnellement minces et
  souples structures

68
Laboratoire sur puce
Santé et médecine
Miniaturisation
Implantation d'un protocole d'analyse comportant
plusieurs étapes
69
Exemple de protocole d'analyse médicale
Santé et médecine
70
Énergie et environnement
Production dénergie - Source propre et bon
marché Utilisation de lénergie - Eclairage
domestique et industriel très efficace
- Léclairage nouveau peut réduire la
consommation totale délectricité de 10 et
réduire lémission de CO2 de léquivalent de 28
million de tonnes par an (Source Al Romig,
Sandia Lab) Matériaux de construction
adaptable à lenvironnement thermique
Soit au niveau mondial léquivalent de 3 fois
la consommation énergétique totale de la France
71
Énergie et environnement
Efficacité 5 à 28
Efficacité 80
72
Énergie et environnement
Reproduire la synthèse chlorophyllienne
?1 nanomètre?
73
Énergie et environnement
Reproduire la synthèse chlorophyllienne
Brudvig Lab, Yale
74
Énergie et environnement
75
Énergie et environnement
Cellule photovoltaïque chlorophyllienne
76
Énergie et environnement
Cellule photovoltaïque chlorophyllienne
Quand la porphyrine (antenne) absorbe la lumière,
elle donne un électron à la molécule de fullerène
77
Énergie et environnement
Cellule solaire nanocristalline
78
Énergie et environnement
Cellule solaire ? 3 Milliards / an
79
Éclairage
80
Éclairage
81
Éclairage
82
Les fenêtres du futur
V
St Gobain
83
Les fenêtres du futur
84
Les fenêtres du futur
Composition du vitrage  intelligent 
Composition du film à cristaux liquides
85
Les fenêtres du futur

• Etat opaque
• Aucune tension électrique (position OFF)
• Les cristaux liquides ne sont pas alignés
• Diffusion de la lumière dans toutes les directions

• Etat transparent
• Tension électrique (position ON)
• Alignement des cristaux liquide
• La lumière circule sans encombres

86
Les fenêtres du futur
Cette technologie est basée sur les SPD
(Suspended particle device)
Le SPD est préparé en incorporant les particules
en suspensions entre deux feuilles de plastique
Ensuite le SPD est placé entre de feuille de
verre revêtu dun film conducteur
87
Les fenêtres du futur
88
Transport
Revêtements thermiques Composites
résistants et légers permettant une consommation
réduite Capteurs haute température
Amélioration des affichages Amélioration des
batteries Amélioration des pneus Autoroutes
automatiques
89
(No Transcript)
90
(No Transcript)
91
(No Transcript)
92
Ailes configurables matériaux intelligents
93
Exploration spatiale
94
Transport
Stockage hydrogène
Un réservoir dhydrogène ayant une énergie
équivalente à un réservoir dessence devrait être
3000 fois plus grand !
95
Transport
Stockage dhydrogène
1.00 à 2.00 le gallon Lhydrogène est 50
plus efficace que lessence et est non polluant
96
Transport
Stockage dhydrogène
Les nanotubes de carbone sont capable de stocker
de 4,2 à 65 de leur poids en hydrogène La
densité dhydrogène stocké peut être proche de
celle de lhydrogène liquide
97
Transport
Stockage dhydrogène
2630 m2/g
98
Sécurité
Utilisation future de métamatériaux ( cape
dinvisibilité )
99
Absorption spécifique Détection de gaz toxiques
Couche très fine de Polysiloxane polymère,
adsorbant spécifique des organo phosphorés
Contacts ohmiques
Oscillateur piézoélectrique à ondes acoustiques
de surface
Gain qq 107
Capteurs à onde de surface dagents chimique
spécifiques
100
Absorption spécifique Détection de gaz toxiques
Dans le futur, adsorbants spécifiques seront
utilisés
Contacts ohmiques
Oscillateur piézoélectrique à ondes acoustiques
de surface
Gain qq 107
Sélectivité très grande
Capteurs à onde de surface dagents chimique
spécifiques
101
Absorption spécifique Détection de gaz toxiques
Le contact ohmique métal-nanotube est très
dépendant des espèces chimiques adsorbées en
surface
Notamment des agents toxiques
Capteur dagents chimiques spécifiques basé sur
les transistors à effet de champ à nanotubes de
carbone
102
Quantum Cascade Laser
25 Å
AlSb
AlSb
InAs
103
Spectromètre à laser à cascade principe
Light Pulse (I0) Before Sample
Light Pulse (Ia) After Sample
Sample Transmission
Time (t)
Time (t)
Wavelength (?)
Wavelength tuning for pulse current duration by
Instantaneous heating effect
Current pulse applied to diode contact
Linear tuning to 1 for 200ns
104
Transistor CNT pour détection chimique
Dai et al. Department of chemistry, Stanford
University
Top view
électrodes
20 /30 SWNTs
Bottom view
source
SWNT
drain
SiO2 (500 nm)
Pd/Au
Si
105
Transistor CNT pour détection chimique
106
Les nanotechnologies dans les produits usuels
107
Les textiles

• Fonctions antibactériennes
• Anti-acariens
• Anti-moisissure
• Anti-insecte
• Antitaches
• Anti-UV
• Parfumantes et/ou désodorisantes
• Entreprises Nano Tex, Nucryss Pharmaceutical,
  Hyosung Corp., Fuji Spinning,

Textile hydrophobe
108
Les textiles

• Tissus hydrophobes
• Tissus synthétiques qui ont le toucher du coton
• Textiles résistants aux germes
• Tissus qui absorbent les odeurs
• Tissus diffusant de la vitamine C
• Tissus autonettoyants
• Tissus anti UV et IR
• Tissus antiallergiques

Principe des tissus hydrophobes
109
Les peintures

• La peinture à nanoparticules ouvre des
  possibilités théoriquement illimitées. Tout
  particulièrement dans le domaine de la résistance
  et de la longévité
• Peinture impossible à rayer
• Peinture perméable à la vapeur d'eau
• Temps de séchage de la peinture réduit de 50 à 70

110
Les peintures

• Peinture uni-couche grâce aux  nano-surfactants 

Le secret de meilleurs surfactants, les
molécules qui attachent les pigments de couleur
aux billes de latex. Avec le développement de la
nanotechnologie, les surfactants sont plus petits
et collent de plus près aux pigments, ce qui
améliore la surface couverte
111
Les peintures

• Peinture permettant la décomposition de polluants
  organiques

112
Les peintures

• Peinture permettant la décomposition dodeurs de
  lair ambiant et du support

113
Les peintures

• Peinture qui rend une pièce imperméable aux ondes
  radios
• Peinture qui bloque les appels téléphoniques, il
  est possible de rendre une pièce imperméable aux
  ondes radios à l'aide d'une peinture comportant
  des
• metallized halloysite nanotubes

114
Les peintures

• Peinture photovoltaïque qui produit de
  lélectricité solaire
• Le matériel se base des nano-structure d'oxyde de
  titane avec colorant qui  imite  la
  photosynthèse des plantes et se passe de silicium
• Capacité à capturer le rayonnement solaire
• Pourrait produire 4500 GW d'électricité annuels à
  léchelle mondiale

115
Les peintures

• Peinture qui bloque les rayons UV
• Anti-UV, la peinture résiste aux expositions
  lumineuses qui risquent de dénaturer les couleurs
  des supports extérieurs
• Spécialement conçue pour les climats rudes et
  les variations de température, elle résiste aux
  intempéries et prévient l'apparition de fissures
  et de craquelures

116
Spray pour rendre les surface hydrophobes
BASF a crée un prototype de spray pour copier
leffet lotus
Bois ayant été traité avec le spray Le bois est
devenu extrêmement hydrophobe
117
Les équipements sportifs

• Matériel qui garde les pieds au chaud
• Une technologie qui a recours à un aérogel
  nanoporeux hyper-isolant offrant ainsi une
  performance thermique de 3 à 20 fois supérieure,
  à épaisseur donnée, aux matériels existants
• Lunettes soleil
• Des lunettes soleil dont les lentilles font
  usage de nanofilm afin de les rendre antireflets,
  résistantes aux égratignures et répulsives à la
  poussière et aux huiles cutanées

118
Les équipements sportifs

• Cire à ski de haute performance
• Cette cire à ski haute performance offre un
  revêtement de surface intelligent aux
  propriétés multifonctionnelles. Le revêtement
  ultrafin dure plus longtemps que les cires
  conventionnelles et durcit à mesure que la
  température chute s'adaptant ainsi aux conditions
  de ski
• Driver de golf nano
• Comparé aux drivers conventionnels au titane, le
  nouveau driver résiste 12 mieux aux
  courbures, a une dureté de 3,6
  supérieur, présente une tête 20 plus
  élastique et permet d'augmenter la distance de
  frappe

119
Les équipements sportifs

• Raquettes de tennis
• Raquettes de tennis dont le cadre incorpore des
  nanotubes de carbone. Ces raquettes sont cinq
  fois plus solides que des raquettes
  conventionnelles et courbent moins sous l'impact
  des balles. La moindre perte d'énergie qui
  en découle résulte en un retour de la balle plus
  puissant pour le joueur
• Balles de tennis 
• Les balles de tennis régulières non entreposées
  dans leur emballage d'origine se dégonflent et
  deviennent inutilisables en moins de deux
  semaines. Les balles de tennis à base de
  nanocomposites ont une longévité de quatre
  semaines. Leurs poids et rebondissement demeurent
  inchangés

120
Les équipements sportifs

• Coques de bateaux en nanocomposites
• Certains modèles 2008 de bateaux de plaisance
  possèdent une coque et un pont fabriqués en
  NanoXcel. Ces pièces sont 25 plus légères, tout
  en étant plus résistantes. Cela a une influence
  favorable sur la conduite de ces bateaux
• Planche de surf incluant des nanoparticules de
  titane
• Oceanit a mis en marché une planche de surf 2 à
  3 fois plus résistante que ses concurrentes tout
  en étant plus légères et aussi flexible, grâce à
  l'addition de nanoparticules de titane

121
Les équipements sportifs

• Des vélos très résistants
• Le cadre est réalisé à partir dune résine
  enrichie en nanotubes de carbone
• Utilise des nanotubes ce qui le rend à la fois
  plus rigide et plus léger

122
Les cosmétiques

• Propriétés optiques des nanomatériaux
• Transparence dans le visible et
• filtration des UV
• Nanoparticules de matériaux
• absorbant les UV
• Nanoparticules transparentes
• dans le visible
• Adaptation à lenvironnement effet
  photochromique
• Noircissement des pigments

123
Les cosmétiques

• Propriétés optiques des nanomatériaux
• Recherche de nouveaux effets visuels
• Effets colorés diridescence

Nacre
Structure microscopique de la nacre
124
Les cosmétiques

• Autres propriétés des nanomatériaux
• Tenue des crèmes solaires à leau inspiration
  biomimétique
• Feuille de lotus
• Propriétés hydrophobes pour la peau
• Tenue de la crème lors dexposition
• à leau
• Antivieillissement de la peau
• Eviter les effets photocatalytiques
• Capter les enzymes desséchant la peau

125
Les cosmétiques

• Autres propriétés des nanomatériaux
• Non-toxicité des nanomatériaux
• Exemples de produits
• Crèmes, poudres et fonds de teint
• Crème qui pénètre en profondeur sous la peau
• Fond de teint transparent qui absorbe les UV et
  neutralise les substances sécrétées par la peau
• Fond de teint dont la couleur change avec
  lexposition solaire

126
Les cosmétiques

• Exemples de produits
• Crèmes, poudres et fonds de teint
• Poudre de talc ultrafine
• Crème qui soulage les muscles et articulations
• Crèmes solaires
• Nanoparticules hydrophobes de dioxyde de titane
• Filtrer les rayons UV cancérigènes
• Nanosphères transparentes
• Eviter les sensations huileuses
• Avoir le moins deffets secondaires

127
Les cosmétiques

• Exemples de produits
• Les anti-vieillissements
• Nanoparticules de silice et de dioxyde de zinc
• Retient les enzymes causant sécheresse et
  rugosité
• Produits dentaires
• Nanoparticules de fluorure de calcium
• Augmenter labsorption des composés dans les
  cavités bucales
• Nanofibres de silicium
• Prévenir le groupement des particules qui
  diminuent la performance du produit

128
Parapharmacie

• Exemples de produits
• Pansements
• Nanoparticules dargent
• Apaise les brûlures
• Augmente lefficacité antibactérielle sur plus de
  150 microbes

129
The End
Merci de votre attention