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Les matériaux intelligents s'inspirent de plus en plus de modèles biologiques. Depuis quelques années, la structure des membranes, le rôle des protéinesprotéines, de l'ADNADN, des polysaccharides ou des lipideslipides sont mieux connus, ainsi que celui des micromoteurs moléculaires qui assurent le fonctionnement intime des cellules vivantes.
© Iaremenko Sergii, Shutterstock
Les chercheurs disposent ainsi de nombreux modèles dont ils peuvent s'inspirer ou qu'ils peuvent copier. Les microtubules de la cellule, les ribosomesribosomes, les moteurs des flagellesflagelles sont autant de micromachines construites à partir de biomatériaux intelligents. De plus, de nouveaux outils sont venus apporter aux chercheurs un arsenal permettant un usinage à l'échelle moléculaire, voire atomique. C'est l'essor des nanotechnologiesnanotechnologies fondée sur des capacités d'assemblage de structures supramoléculaires, du " bas vers le haut ". En effet, la démarche traditionnelle de miniaturisation a surtout consisté à enlever de la matière par couches successives, grâce à des techniques comme la photolithographie optique intervenant dans la fabrication des microprocesseursmicroprocesseurs. Désormais, la connaissance des propriétés physiques et chimiques et des conditions d'assemblage de structures complexes, permet d'assembler ces matériaux nouveaux par ajout plutôt que par élimination. On peut ainsi fabriquer des couches minces aux multiples applications. De tels travaux ont été initiés il y a quelques années par les recherches de Langmuir et Blodgett.
Ces chercheurs ont réussi à fabriquer des couches minces qui portent désormais leur nom (ou en abrégé : couches LB), à la pointe aujourd'hui de l'électronique moléculaire, un des secteurs parmi les plus prometteurs des matériaux intelligents du futur. Plusieurs laboratoires travaillent actuellement sur des nanoassembleurs programmés capables d'assembler de manière organisée, des structures complexes pouvant ainsi passer d'une échelle invisible à l'œilœil nu jusqu'à une utilisation macroscopique par l'homme. Dans des laboratoires d'usinage moléculaire on utilise le microscope à effet tunnelmicroscope à effet tunnel (MET ou STEM en anglais, scanning and tunelling electron microscope) ou le microscope à force atomiquemicroscope à force atomique (AFM). On peut ainsi manipuler la matière, atomeatome par atome, permettant la fabrication de matériaux sensibles ou réactifsréactifs à leur environnement. D'autres laboratoires travaillent sur des nanomachinesnanomachines et des nanorobots capables d'intervenir dans des " chaînes de montage moléculaires " pour fabriquer en série les matériaux du futur.
Ces différentes méthodes et ces technologies de production ouvrent la voie à des nouveaux types de polymèrespolymères conducteurs et semi-conducteurssemi-conducteurs capables de servir de base à l'électronique moléculaire de demain. Les composants électroniques moléculaires se présentent actuellement comme les successeurs potentiels des semi-conducteurs. Ces composants de synthèse offrent de nombreux avantages par rapport aux semi-conducteurs classiques : assemblage tridimensionnel, matériaux de synthèse permettant d'obtenir des propriétés sur mesures, miniaturisation approchant celle des structures biologiques, possibilités d'interface avec des systèmes vivants.
La naissance de l'électronique moléculaire date de la fin des années 70. La plupart des moléculesmolécules et macromoléculesmacromolécules biologiques sont des machines à traiter l'information. L'ADN, les protéines, sont des sortes de microprocesseurs capables de reconnaître des signaux (électronsélectrons, ionsions, petites molécules) et de réagir par des modifications de structure physique, de forme ou de fonctions chimiques. Les assemblages supramoléculaires, composés d'une grande quantité de molécules interconnectées, existent en abondance dans les cellules. Par exemple, les microtubules (véritables micromachines participant au transport et aux mouvementsmouvements cellulaires) ou la membrane, jouant un rôle de filtre sélectif et d'organe de communication. Ces assemblages supramoléculaires sont faits d'un empaquetage extrêmement dense d'éléments de constructionconstruction (jusqu'à un million de milliard par mm2), alors que les techniques les plus perfectionnées de la microélectronique moderne atteignent à peine un million d'éléments par millimètre carré.
Grâce au génie génétiquegénie génétique et à la chimiechimie organique, il devient possible de fabriquer des composants dotés de propriétés spécifiques, des transistors en plastiqueplastique, et même des biopuces connectables aux organismes vivants. Pour la première fois, il deviendra possible de faire croître un circuit comme croît un cristal. Pour cela, les chercheurs devront maîtriser plusieurs étapes déterminantes. D'abord produire des commutateurscommutateurs moléculaires fiables capables de passer d'un état à un autre. De tels commutateurs ont été récemment obtenus par James Tour de Rice University et Mark Reed de Yale. Il faut aussi pouvoir interroger ces commutateurs pour connaître l'état dans lequel ils se trouvent. Ensuite, fabriquer des mémoires moléculaires réversiblesréversibles pouvant être réutilisées un grand nombre de fois et relier ces composants par des fils moléculaires pour transporter de l'information à distance. Autre étape : le montage de ces commutateurs, mémoires et fils dans des structures ou réseaux organisés en différents niveaux de communication et d'interconnexion pour effectuer des fonctions coordonnées. Enfin, il faudra être en mesure de réparer ces systèmes. Les molécules ne fonctionnant pas correctement devront être détectées, les composants remplacés. Des progrès considérables ont été réalisés ces dernières années et l'on peut considérer que l'électronique moléculaire va jouer un rôle de plus en plus important dans les années à venir.
Une autre catégorie de matériaux intelligents et qui aura sans doute des applications spectaculaires dans notre vie quotidienne, sont les " textiles intelligents ". De nombreux laboratoires dans le monde travaillent sur ces matériaux qui vont de la tenue de camouflage des militaires, à des vêtements de sport permettant aux entraîneurs de suivre les efforts des sportifs, jusqu'aux robes de la haute couture dotées de propriétés nouvelles et originales.
En effet, les vêtements que nous porterons dans l'avenir vont ressembler de plus en plus à une seconde peau. Après les fibres qui respirent, des fibres textiles intelligentes s'adaptent à l'environnement biologique du corps. Le secret de ces fibres repose sur des microcapsules réparties dans l'ensemble du matériaumatériau synthétique et qui contiennent des produits chimiques particuliers. Ces produits sont capables de réagir à la température, à la lumièrelumière ou au frottement. Ils modifient alors la couleurcouleur du textile ou émettent des parfums. On a vu apparaître au Japon, notamment, des pull-overs ou des serviettes de toilettes à parfum contrôlé et même des vêtements qui repoussent les insectesinsectes nuisibles. Des fabricants de vêtements ont mis sur le marché des tenues de sport capables de changer globalement de couleur en fonction de la température.
Mais d'autres textiles intelligents vont avoir des usages encore plus spectaculaires. Il s'agit de polymères capables de changer localement de couleur en fonction d'un certain nombre de paramètres physiques, tels que le passage d'un faible courant électriquecourant électrique, une augmentation de température ou des contraintes mécaniques. La coloration du tissu ou les inscriptions qu'il porteporte (par exemple sur un tee-shirt) ne sont pas imprimés avec des encres spéciales mais produites par des fibres de polymères capables de créer des images sur le corps ou en différents endroits spécifiques, comme s'il s'agissait d'un écran à cristaux liquidesécran à cristaux liquides d'ordinateurordinateur porté sur le dosdos ou sur la poitrine.
On imagine les applications de ces polymères dans le secteur militaire, notamment pour le camouflage. Des tenues de combat fabriquées à partir de ces polymères, portent des minuscules caméras vidéo capables de détecter des changements dans l'environnement et d'adapter aussitôt la couleur de la tenue de combat aux conditions dans lesquelles elle se trouve. Le fantassin du futur devient ainsi une sorte de caméléon capable de se fondre dans son environnement. D'autres industriels mettent au point des tee-shirts qui modifient la couleur, l'inscription ou les dessins qu'ils affichent, en fonction de l'état émotionnel la personne qui les portent ! Ces paramètres biologiques sont analysés par des minuscules biocapteurs tissé au sein même du vêtement. Le couturier français OlivierOlivier Lapidus a déposé des centaines de brevets et a déjà réalisé des robes de haute couture faites à partir de ces textiles intelligents. Une robe pourra ainsi changer de couleur plusieurs fois dans la soirée ou porter des ornements se modifiant en fonction de l'ambiance dans laquelle on se trouve. Des survêtements ou des tenues de sport bourrés de capteurscapteurs peuvent transmettre à distance des paramètres du corps à l'intention de médecins qui souhaitent suivre leurs patients heure par heure ou à destination d'entraîneurs surveillant les performances de sportifs au cours de leurs efforts. Des entreprises comme BodyMedia.com ou LifeShirt.com proposent déjà aux États-Unis ce type de vêtements connectables par un boîtier porté à la ceinture, à un site InternetInternet réservé aux médecins ou aux entraîneurs.
