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Description illustration de l'article

MU5CI603

Nanosciences et nanotechnologies : des concepts aux applications

 

Mots clés : Objets, dispositifs et machines à l’échelle nanométrique ; technologies du futur, nouvelles fonctionnalités ; manipulation à l’échelle atomique ; microscopies à champ proche.

Responsable

Frédéric Wiame, MC, section CNU 33, Institut de Recherche de Chimie Paris UMR 8247, ENSCP (Chimie ParisTech)

ECTS

Cours

TD

TP

Tutorat

Ecrit

CC

TP

Oral

Eval. répartie

6

34h

14h

 

A la demande

50 %

 

 

50 %

non

Descriptif de l’UE

Les nanosciences et les nanotechnologies, dont l’acte de naissance date véritablement du début des années 1990, constituent un enjeu considérable pour les technologies du futur. A la frontière des disciplines classiques (chimie, physique, biologie), les nanotechnologies représentent plutôt la convergence de ces disciplines vers des objets ayant en commun leurs tailles nanométriques. Il s’agira de dresser un panorama général des nanosciences et de leurs applications (réelles ou potentielles) dans les domaines des nanobiotechnologies, des technologies quantiques et des machines moléculaires.

Objectifs d’apprentissage

A l’issue de la formation, l’étudiant(e) devra être en mesure : d’expliquer et de situer dans leur contexte les principaux enjeux des nanosciences et nanotechnologies ; utiliser les concepts de base et expliquer les principales propriétés liées à l’échelle nanométrique ; décrire et expliquer le principe et les caractéristiques essentielles des principales techniques d’analyse et de manipulation à l’échelle nanométrique ; expliquer les concepts de base et les principales applications des technologies quantiques ; expliciter l’utilisation de nanomachines biologiques pour les nanotechnologies ; décrire et expliquer les mécanismes de fonctionnement de machines moléculaires.

PrErequis

L’étudiant doit maitriser et savoir utiliser les connaissances de base en physique et chimie, acquises en premier cycle de l’enseignement supérieur et être capable de lire et de comprendre la littérature scientifique en anglais.

Langue(1)

Cours, TD, TP

Documents

Bibliographie

 

Anglais s’il y a des participants non-francophones ou si la majorité des étudiants le souhaitent ; sinon français.

Anglais et français

Anglais

(1) D’une manière générale, les documents de cours sont à rédiger en anglais. Les sujets d’examen sont en anglais ou accompagnés d’une explication en anglais s’il y a des étudiants non francophones.

Fonctionnement de l’UE

Les thèmes abordés en cours seront les suivants :

Thème 1 : Emergence des nanosciences et propriétés
I. Introduction
1. Etapes marquantes de l’histoire des nanosciences
2. Applications actuelles et développements futurs (électronique, biotechnologies, énergie, information quantique, …)
II. Propriétés de la matière à l’échelle nanométrique (approche top-down)
1. Effets mésoscopiques et nanoscopiques
2. Conductance mésoscopique
3. Blocage de Coulomb (transistor à 1 électron)
4. Nanomagnétisme
5. Magnétorésistance géante

Thème 2 : Observation et manipulation d’entités isolées
I. Observation
1. Brève histoire de la microscopie
2. Microscopie optique
         – Principe et limitation : critère de Rayleigh
3. Microscopies électroniques
         – Nature ondulatoire des électrons
         – Principe de la microscopie électronique à transmission et à balayage
         – Techniques de préparation des échantillons
         – Caractéristiques principales influençant la résolution
         – Exemples de résultats
4. Microscopies à sondes locales
         – Microscopie à effet tunnel
Origine de l’effet tunnel, principe et mise en œuvre. Mode de fonctionnement et influence de la pointe sur la résolution latérale. Exemples de résultats.
– Microscopie de force atomique
Principe, mode de fonctionnement, résolution. Exemples de résultats.
– Microscopie optique à champ proche
Principe, mode de fonctionnement, résolution. Exemples de résultats.
II. Manipulation
1. Techniques de manipulation
   – Idée originelle
   – Manipulation par sondes locales
Types d’interaction, conditions expérimentales, déplacement atomique, déplacement moléculaire, dissociation moléculaire, réaction chimique induite.
   – Manipulation par photons
Types d’interaction, refroidissement Doppler, limite de recul.

Thème 3 : Nano-ingénierie
I. Nano-structuration
1. Lithographie et lois de Moore
2. Principe et limitations des lithographies optique et électronique
3. Faisceaux d’ions focalisés
4. Structuration par sondes locales
– Indentation directe
– Dépôt de matière
– Extraction de matière
II. Nanostructures auto-organisées
1. Epitaxie
2. Modes de croissance
3. Mécanisme d’auto-organisation
III. Nouvelles techniques de nano-lithographie
1. Nano-encres
2. Manipulation optiques

Thème 4 : Traitement de l’information quantique et communication
I. Introduction
II. Bref historique des technologies quantiques
1. Cryptographie quantique
2. Ordinateur quantique
III. Concepts de base des technologies quantiques
1. Bit quantique (Qubit)
2. Mesure
3. Algorithmes quantiques
4. Décohérence
5. Communication quantique
6. Téléportation d’état quantique

Thème 5 : Nano-objets et nano-machines
I. Introduction
II. Machines moléculaires biologiques
1. ATP Synthase
2. Myosine / Kinesine
III. Machines moléculaires synthétiques
1. Caractéristiques
2. Source d’énergie
IV. Machines moléculaires en solution
1. Caténanes et Rotaxanes
2. Moteurs moléculaires
V. Machines moléculaires sur surfaces
1. Molecular Walker
2. Molecular Lander / Wheelbarrow
3. Nanocars
4. Surface mounted molecular motors
VI. Perspectives

Thème 6 : Nanobiotechnologies
I. Positionnement du cours
II. Biominéralisation
1. Généralités
2. Formulation de nanoparticules à l’aide d’organismes biologiques
3. Bactéries magnétotactiques
4. Ferritines
III. Moteurs Moléculaires
1. Présentation des moteurs linéaires et rotatifs
2. Vers des systèmes autonomes
IV. ADN et Nanofabrication
1. Nanoélectronique
2. Auto-assemblages

V. Oncothérapie virale