Computer science

Computer science is one of area used in nanotechnology. Indeed informatics saw great evolution that allowed it to use nanoparticles to improve several key electronic components such as chip, transistor, and semiconductor. Nowadays these components are everywhere in our daily life without we think of them.

1°) De la loi de Moore à la Nano-informatique

A partir de mes recherches, j’ai remarqué que la nano-informatique provenait de la prédiction de Moore sur les transistors, en effet en 1965, Gordon Moore, le co-fondateur de la société Intel, leader sur le marché de composants à semi-conducteur, prévoyait que « le nombre de transistors que l'industrie serait capable de faire tenir sur une puce d'ordinateur doublerait tous les 18 mois ». Cette loi s’est vérifiée pendant des décennies. Cependant elle s’est récemment heurtée à des limites physiques à l’échelle nanoscopique entrainant des problèmes technologiques de plus en plus difficilement surmontables. Par exemple certains problèmes que j’ai remarqué comme :

La photolithographie, une technique utilisée dans l'industrie des semi-conducteurs, qui consiste à transférer une image sur un substrat (support de silicium ou de dioxyde de silicium), par durcissement d’une résine photosensible, pour donner naissance à un composant ou capteur électronique. Il n’existe pas encore à l’échelle nanométrique.
La diminution de la longueur d’onde pour graver aussi finement que souhaité est très difficile à réaliser. Aujourd'hui les processeurs sont gravés à 0,1 micron prêt grâce à l’association de grandes entreprises, les fondeurs de microprocesseurs : Intel, AMD et Motorola.

Le manque d’espace sur les puces informatiques, a suscité de nombreux travaux de recherche pour pallier aux limites énoncées par la loi de Moore, encore appelé : « conjectures de Moore » car on devrait davantage l’évoquer comme une prédiction que comme une loi à strictement parler. Cela a donné naissance à la nano-informatique.

A partir de certaines recherches, j’ai pu remarquer que les prédictions de Moore devenaient obsolètes, en effet, tout à une fin après cinquante ans avec les prédictions de Moore, la miniaturisation électronique s’approche des limites physiques, le passage à de nouvelles technologies arrivent sur des circuits intégrés les plus avancés, comme par exemple le « FinFET 14 nm » (transistors 3D en gravure de 14 nanomètres)

2°) Panel des récents projets mis en œuvre:

J’ai donc cherché des projets de recherches liés à la résolution des problèmes technologiques limitant le passage à l’échelle nanoscopique. Ces projets sont menés un peu partout dans le monde, parfois au niveau d’industriel, au niveau universitaire.

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J’ai découvert que le 10 septembre 2012, des scientifiques du centre de biodiversité marine de l’université d’Aberdeen ont présenté leurs travaux sur les composants constituant un nouveau type de puce informatique créée à partir de molécules « ascidie Lissoclinium patella ». Elles proviennent des fonds de la Grande Barrière de Corail et donne une molécule : la « patellamide ». C’est une alternative plus verte et durable pour fabriquer des transistors à partir de ressources naturelles. Les résultats de ce projet sont étonnants : l’ordinateur est beaucoup plus rapide grâce à ces composants de plus petites tailles et surtout grâce à leurs proximités sur la puce informatique qui permet d’en stocker davantage. Le transfert d’information est donc réalisé à un rythme beaucoup plus rapide.

L’entreprise IBM pionnier dans la nano-informatique manipulait en 1999 des atomes un par un. Elle a réussi en 2001 à créer un interrupteur électrique de la taille atomique. Des chercheurs du service "Nanoscale science department" recherchent à produire à l’échelle nanométrique des semi-conducteurs et travaillent sur les atomes de carbone. On peut désormais envisager une alternative au transistor classique avec des transistors moléculaires à partir de nanotube de carbone. La compagnie a présenté ses travaux de recherche à l’occasion de la conférence IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) qui déroule à Washington. Elle a présenté le premier transistor en nanotube de carbone disposant d’un canal entre la source et le drain de 10 nm.

3°) En savoir plus sur les procédés de fabrications :

Du transistor au nanotube de carbone :

Je me suis ensuite renseigné plus précisément sur les transistors qui sont très présent dans la nano-informatique et également sur le nanotube de carbone avec sa découverte et son mode de fonctionnement.

Shéma d'un transistor

Le transistor est un composant électronique actif utilisé comme interrupteur dans les circuits, comme amplificateur de signal, pour moduler un signal et pour de nombreuses autres utilisations. C’est un composant de base de tous les microprocesseurs qui étaient à l’époque d’une taille de 12 micromètres et qui atteignent maintenant 32 nanomètres. On prévoit pour 2020 une taille de 10 nanomètres pour l’ensemble du transistor.

Le nanotube de carbone est composé d’un ou plusieurs feuillets de graphèmes enroulés ayant un diamètre interne de l'ordre du nanomètre c’est pourquoi ils entrent dans la famille des nano composants. On les a observées pour la première fois en 1991. La structure de nanotube de carbone se termine à chaque extrémité par des pentagones de carbone, on les nomme des fullerènes, des molécules de carbones ayant une forme sphérique. Il existe plusieurs procédés de fabrications de nanotubes de carbones. Il est nécessaire de prendre beaucoup de précautions comme d’utiliser une salle pressurisée pour éviter toute intrusion d’impureté qui viendrait compromettre la construction de nanotubes. Les usines de production sont généralement équipées de détecteur et de filtre à particule.

Représentation d'un nanotube de carbone mono feuillet

Le premier procédé utilisé pour fabriquer des nanotubes de carbone et celui du à ça découverte : le principe de l’arc électrique. En effet ce principe était déjà utilisé pour la création de fullerène et ce fut Sumio Lijima en 1991 qui en changeant quelques paramètres créa un tube de carbone. Le principe d’ablation par l’arc électrique repose sur le fait d’établir un arc électrique entre deux électrodes : cathode et anode. L’anode se consume et forme du plasma (un éclair d’une température très élevé) et ce plasma se condense sur la cathode et forme des nanotubes de carbone. Ce procédé est peu couteux mais le résultat est difficile à contrôler.

Synthèse nanotube de carbone par arc électrique

Le nanotube de carbone a des caractéristiques très intéressantes : à section égale, il est cent fois plus résistant et six fois plus léger qu’un tube d’acier. De plus le nanotube de carbone possède une propriété électrique plus efficace que certain matériaux classique comme le fil de cuivre. En effet dans ce dernier la circulation d’électron libre contient des collisions avec d’autre atome car le fil de cuivre est plein. Cela provoque des échauffements dans le fil et ainsi une perte d’énergie. Or ce problème n’existe pas pour le nanotube de carbone, en effet chaque atomes de carbone possède un électron libre dût à la configuration spéciale du nanotube de carbone car chaque atome de carbone possède 3 voisins donc il reste un électron libre pouvant participer au courant électrique. De plus l’intérieur d’un nanotube est vide ainsi les électrons peuvent circuler sans être perturbé le long du tube pour passer de nanotube en nanotube.

Cependant, les recherches et projets qui se sont succédés ont eu un développement rapide mais peu d’entre eux évoquent les risques et les inconvénients de ces nano composants.

4°) Nanotubes de Carbone, opportunité ou risque pour la santé ?

Nous sommes dans une période d’incertitude sur la toxicité pour l’homme et pour l’environnement concernant les nanotubes de carbones, en effet nous avons actuellement très peu de connaissances sur leurs toxicités vis-à-vis de l’homme et de l’environnement. Nous savons cependant que les risques toxicologiques des nanotubes de carbones sont liés à trois voies d’exposition possibles : l’inhalation, l’ingestion et le contact cutané. En effet l’appareil respiratoire constitue la principale voie de pénétration des nanotubes de carbones dans l’organisme. Nous savons également que les principales sources d’expositions aux nanotubes de carbones dans le domaine professionnelles se situent lors de sa fabrication avec toutes les manipulations des composants, au stockage des produits, également lors du nettoyage et entretiens des locaux et lors des opérations sur les nano composites avec leur découpage, leur perçage et leur polissage.

A partir de plusieurs recherches effectuées, on sait que les nanotubes de carbones peuvent traverser la membrane cellulaire, s’accumuler dans chaque cellule et se retrouver dans le noyau, en effet plusieurs études menées « in vitro » ont mis en évidence le caractère insolubles des nanotubes de carbones et leur capacité à pénétrer dans la cellule et à provoquer une cytotoxicité (une propriété à être toxique pour les cellules et pouvant aller jusqu’à les détruire). Ces études menées « in vitro » démontrent clairement la bio persistance et la capacité des nano-objets à engendrer une inflammation pulmonaire. Ces résultats sont à confirmer par des études par inhalation.

Cela incite à la prudence car les connaissances relatives aux dangers pour la santé humaine sont lacunaires et il n’existe pas encore de réglementation particulière sur ce domaine. Des mesures de préventions ont été données pour identifier les dangers présentés par les nanotubes de carbones ; évaluer les risques pour la santé au travail ; mettre en place des mesures pour prévenir ou limiter les risques et vérifier l’efficacité des mesures prises.

Pour conclure, la nano-informatique est une très grande évolution permettant l’amélioration de notre quotidien, en effet les puces sont présente partout dans notre quotidien or les nanotubes de carbone sont utilisés dans les puces et les améliorent donc la nano-informatique améliore la performance des puces. Ainsi les nano-informatique améliorent notre quotidien. De plus l’évolution de la nano-informatique et également présente en France, en effet des scientifiques on réussit à faire un gain optique : une amélioration du signal optique et c’est la 1ère étape pour la réalisation d’un laser à nanotube de carbone