Introduction à la nanotechnologie moléculaire

Introduction à la nanotechnologie moléculaire. 21 mars 2006

Académie Européenne Interdisciplinaire des Sciences (version 1.8) Page 1 sur 29

Introduction à la nanotechnologie moléculaire.Texte de la présentation donnée en Avril 1998 à l’AEIS (ex AISP)

Version 1.8 du 21 mars 2006

Par Frédéric Lévy ([email protected])

INTRODUCTION

Je vais effectivement vous parler de la nanotechnologie. En préparant cette présentation, j’ai découvertque le mot existait dans le dictionnaire, avec un sens un peu différent du mien (il y est question del’application de la microélectronique à la fabrication de structures à l’échelle du nanomètre). En fait, cedont je vais vous parler ce soir est plus précisément défini par le terme de nanotechnologie moléculaire.

Si cette technologie est effectivement mise au point, elle engendrera des bouleversements d’une ampleurdifficilement prévisible aujourd’hui, aussi bien dans les domaines techniques, qu’économiques etsociaux.

Ils dépasseront en tout cas ceux engendrés par les révolutions industrielles mécaniques et informatiquesdes deux siècles précédents combinées, et dans une période beaucoup plus courte !

Il est encore impossible de répondre avec certitude à la question de la date à laquelle cette révolution«nanotechnologique» interviendrait.

Toutefois, les estimations de la plupart des scientifiques travaillant dans le domaine, vont de 10 à 20 anspour la mise au point de la première percée technique majeure (du « breakthrough »). Il se peut, biensûr, que des difficultés surgissent pendant les recherches, et qu’il faille plus longtemps pour y arriver,mais, à terme plus ou moins proche, cette révolution semble inéluctable.

On peut tracer un parallèle avec une autre réalisation technologique difficile et importante : la réalisationde la bombe atomique. Nous nous situerions alors, sans doute, vers la fin des années 1930. C’est-à-direque la partie théorique est suffisamment développée pour être pratiquement certain de la faisabilité, parcontre, il reste de nombreux problèmes techniques complexes à résoudre. Et le chemin permettant d’yarriver n’est pas connu précisément. Plusieurs voies de recherches sont en cours d’étude aujourd’hui. Demême, la durée et la quantité d’efforts à fournir pour y arriver est encore uniquement supputée.

Après cette introduction, vous devez penser que j’exagère fortement l’importance de ces recherchesencore très peu connues, voire que je fabule entièrement, mais j’espère avoir réussi à éveiller votrecuriosité !

Je vais maintenant vous expliquer ce que l’on entend par nanotechnologie moléculaire, faire un bref étatdes recherches actuelles et vous décrire quelques conséquences techniques qui peuvent être envisagées.

Je répondrais autant que je le pourrais à vos questions après ma présentation, toutefois, si vous souhaitezune précision ou un éclaircissement, n’hésitez pas à m’interrompre en cours de route !



QU’EST-CE QUE LA NANOTECHNOLOGIE ?

Depuis que l’humanité existe, nous fabriquons et nous utilisons des outils manufacturés.

D’un certain point de vue, on peut dire que les techniques de fabrication ont peu changé depuis les tempspréhistoriques! En effet, la fabrication d’un objet nécessite le plus souvent l’extraction de matièrespremières en assez grande quantité, tout un processus de travail sur ces matériaux (de chauffage,d’application de pression, de processus chimiques), d’assemblage (par soudure, par attaches, parcollage) avant d’obtenir l’objet désiré, qui peut être par exemple une voiture, un ordinateur, une feuille depapier ou même un steak tartare.

Pendant tout ce processus de fabrication, une grande quantité d’énergie est utilisée, et une grandequantité de déchets est généralement produite (malgré les progrès dans le recyclage).

Indépendamment, la tendance est au contrôlede plus en plus fin de la matière fabriquée (ongrave aujourd’hui des sillons de largeurinférieure au micromètre sur les pucesinformatiques (100 fois plus fin qu’une feuillede papier). Les capteurs mécaniques de chocspour les coussins à air dans les voitures sontainsi gravés directement sur les pucesinformatiques (cf illustration ci-contre). Ils’agit là de la nanotechnologie, telle qu’elleétait définie dans mon dictionnaire.

Les techniques les plus récentes permettent degraver des lignes de 80 nanomètres! (1000 foisplus fin qu’une feuille de papier!)

Richard Feynman, le prix Nobel américain de physique, s’est demandé jusqu’où pouvait aller cetteminiaturisation et ce contrôle de la matière. Lors d’une conférence qu’il a donné en 1959, il a établit lesbases de ce qui allait devenir 20 ans plus tard la nanotechnologie moléculaire (voir le texte de laconférence en annexe).

Il a alors suggéré que les lois physiques autorisaient la manipulation et le positionnement, direct etcontrôlé, des atomes et des molécules, individuellement, un par un. Qu’il était tout à fait possibled’utiliser les atomes comme briques de construction, à la manière de briques de Lego (en tenant comptedes forces s’exerçant entre eux, évidemment).

Il s’agissait là d’une idée extrêmement originale. Après tout, l’existence des atomes n’avait été totalementreconnue par la communauté scientifique que peu de temps auparavant !

Toute la matière, les maisons, le papier, les liquides, l’air, et nous-mêmes sommes constitués d’atomes.

En fait, tout ce que nous pouvons voir, toucher, ou sentir est constitué d’un nombre assez faibled’atomes différents (quelques dizaines). L’air est principalement composé d’atomes d’oxygène, d’azoteet de carbone. L’eau est composée d’atomes d’hydrogène et d’oxygène. Les êtres vivants sontprincipalement composés d’atomes de carbone, d’hydrogène et d’oxygène.

Micro-accéléromètre (Grossissement d’environ 500) Les deux « peignes » peuvent se déplacer l’un par rapport à l’autre

sous l’effet d’une violente accélération.(Source : Encyclopedia Universalis)



Ce qui fait qu’un arbre est différent d’un homme, ou un ordinateur d’un peu de sable est, bien sûr,l’organisation de ces quelques sortes d’atomes. La différence d’agencement entre les atomes est, parexemple, l’unique différence entre un diamant et un morceau de charbon, tous deux constituésuniquement d’atomes de carbone.

Table périodique des atomes (Table de Mendeleïev).

Les atomes dont le fond est grisé sont ceux dont l’importance prévue pour les conceptions en nanotechnologie estla plus importante : Hydrogène (H), Carbone (C), Azote (N), Oxygène (O), Fluor (F), Silicium (Si), Phosphore(P), Soufre (S) et chlore (Cl). Les autres éléments peuvent être utilisés, de façon moins fréquente.

(Source : Nanosystems)

Jusqu’à présent, toutes les méthodes de fabrication manipulent les atomes en très grande masse. Même lafabrication ultra fine des puces informatiques traite les atomes de façon statistique.

Car les atomes sont extraordinairement petits par rapport à notre échelle. Par exemple, dans l’épaisseurde cette feuille de papier —je l’ai mesuré, elle fait environ un dixième de millimètre d’épaisseur—, il estpossible d’empiler environ 400.000 atomes de métal.

Il y a donc beaucoup de place à cette échelle !

En fait, pour en fournir une image plus concrète, Feynman avait donné l’exemple suivant : en utilisant uncercle d’une superficie de 1000 atomes par point d’impression, il serait possible d’imprimer toutes lespages de l’Encyclopedia Brittanica sur la tête d’une épingle.

Feynman continue en montrant qu’en fait, il y a tellement de place à si petite échelle, que, si l’on savaitmanipuler les atomes individuellement, il serait possible d’enregistrer tout ce que l’humanité a écritjusqu’à présent dans un cube d’un dixième de millimètre de côté : c’est-à-dire dans une poussière !

Le but de la nanotechnologie moléculaire, et des recherches en cours actuellement, est d’arriver à cecontrôle précis et individuel des atomes.

Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

Th Pa U

H He

Li Be B C N O F Ne

Na Mg Al Si P S Cl Ar

K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe

Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn

Fr Ra Ac



ETAT DE LA RECHERCHE ACTUELLE, VOIES EXPLOREES

Avant de vous donner quelques exemples des applications envisagées, si nous pouvions réellementmanipuler les atomes comme nous l’entendons, voyons un aperçu de la faisabilité, des réalisations déjàeffectuées et des perspectives de la recherche actuelle.

Tout d’abord, on peut se demander s’il est possible de manipuler précisément les atomes, pour les placeroù bon nous semble ?

N’y a-t-il pas de problème de principe insurmontable (comme le principe d’incertitude quantique, ou bienl’agitation continuelle des atomes à la température ambiante, etc.) ?

Ou bien encore un problème technique (il est par exemple impossible de lubrifier un essieu à cetteéchelle, car les atomes du lubrifiant seraient à peu près de la taille de l’essieu! Un roulement à billes estdifficilement envisageable car la surface de la bille ne serait pas plane, mais constituée des bosses desatomes, etc.) ?

Un autre problème pratique résulte de la taille, elle-même, des atomes. Si nous arrivions à manipuler lesatomes un par un, la fabrication d’un objet à notre échelle ne prendrait-elle pas trop longtemps?(Assembler une feuille de papier, en ajoutant un million d’atomes par seconde, prendrait plus de 13milliards d’années ! [une feuille de métal, du format d’une feuille de papier A4 contient environ quatrecent mille milliards de milliards d’atomes (4 x 10 23: 4 suivi de 23 zéros!)]).

Enfin, même si ces problèmes étaient surmontés, il reste à établir un programme de recherche permettantd’arriver à cette technologie.

Sur le problème de la faisabilité, les scientifiques ayant étudié la question, dont Richard Feynman, ontaffirmé qu’il n’y avait pas d’impossibilité de principe. Jusqu’à aujourd’hui, personne n’a émis decritique sérieuse contre cette idée, et plusieurs chercheurs ont fait des calculs de faisabilité, dessimulations sur ordinateur... qui restent bien sûr encore théoriques.

Eric Drexler, le premier chercheur après Feynman à avoir redécouvert et diffusé le concept de lananotechnologie, au début des années 80, a écrit un ouvrage analysant en détail les interactionsatomiques, dans le but de fabriquer des nano-machines (Nanosystems, Molecular Machinery,Manufacturing and Computation).

Il a également créé l’institut américain Foresight qui a pour objectif de sensibiliser les chercheurs et lepublic à l’arrivée prochaine de cette technologie, et d’essayer de se préparer à ses conséquences, et à sesdangers.

Dans Nanosystems, Drexler analyse, entre autres, les problèmes liés à l’agitation thermique des atomes.La chaleur n’est en fait rien d’autre que la vibration plus ou moins forte des atomes. Plus la chaleur estélevée, plus les atomes vibrent violemment. Nous pouvons donc craindre qu’un appareil fait de quelquesatomes liés entre eux, comme l’essieu évoqué plus haut, ne se casse, ou fonctionne mal, à la températureambiante.

Drexler, suivi par d’autres chercheurs, a donc calculé les forces s’exerçant dans de tels systèmes. En fait,des logiciels de création de molécules ont été améliorés dans ce but, et permettent de simuler lesinteractions entre les atomes, la stabilité de la structure, etc.



Dessin d’un essieu réalisé avec des atomes de carbone, d’hydrogène et d’azote (source: Nanosystems).



Par ailleurs, beaucoup de progrès pratiques ont été réalisés ces dernières années. Plusieurs typesd’appareils manipulant directement les atomes, de façon encore assez rudimentaire, sont apparus. Vousavez peut-être vus cette photo ou l’on voit les lettres IBM écrites avec des atomes, ou bien celle, plusrécente, représentant un boulier?

Ces appareils, permettant de voir et de manipuler les atomes individuellement, sont appelés microscope àeffet tunnel, et microscope à force atomique (STM, AFM). Ils permettent non seulement de visualiser lesatomes d’une surface, mais aussi de les déplacer, en les poussant, en les arrachant à la surface, etc.

Le principe général de ces appareils, est finalement assez semblable àcelui des anciens tourne-disques, ou une pointe est posée sur le sillondu disque!

Dans ces microscopes, la pointe est normalement terminée par ununique atome, en relation avec la surface à observer. L’appareil déplacela pointe, en la maintenant à une altitude constante au dessus del’échantillon observé. En déplaçant la pointe le long de ligneshorizontales successives, il est possible de déduire la topographie de lasurface.

35 atomes de Xénon sur NickelRéalisé avec un microscope à effet tunnel, à -270°C.

(Source : site Web cité en annexe)

Atomes de Fer sur Cuivre(Source : site Web cité en annexe)



De nombreux problèmes pratiques se posent, bien sûr. L’appareil doit être isolé de toute vibration, lapointe de mesure est elle-même constituée d’atomes et interagit parfois différemment selon les typesd’atomes observés, elle peut interagir avec plusieurs atomes à la fois, etc., ce qui rend les résultatsparfois difficiles à interpréter. De plus, les manipulations se font souvent à très basse température pouréviter les vibrations thermiques déjà évoquées, et dans une atmosphère raréfiée afin d’éviter que lesatomes de l’air ambiant ne viennent percuter en permanence l’échantillon observé, etc.!

Pour l’instant tout cela tient encore beaucoup du bricolage et du tâtonnement, mais les modèlesthéoriques s’affinent, et les outils sont mieux maîtrisés chaque jour (par exemple, les lettres IBM avait étéréalisées à -270°C, le boulier atomique a été réalisé à température ambiante).

Malgré tous ces problèmes, les champs d’applications de ces appareils sont en grand développement.Plusieurs sociétés commerciales ont été fondées pour vendre ces équipements (voir les références enannexe).

Fonctionnement comparé d’un microscope à effet tunnel et à force atomique(source: Unbounding the Future)



Enfin, pour finir avec le problème de faisabilité de la nanotechnologie, on peut aussi remarquer que noussommes la preuve que la nanotechnologie est possible!

En effet, les êtres vivants sont constitués de véritablesmachines moléculaires (ADN, ARN, ribosomes, etc.), quifonctionnent à l’échelle atomique, et agencent de façonextrêmement précise les atomes et les molécules quiconstituent les êtres vivants.

Avec finalement beaucoup de succès!

Par ailleurs, l’évolution naturelle a également résolu le problème de création d’êtres de notre taille, atomepar atome, dans un délai assez raisonnable! Et ceci, par un moyen qu’il serait facile de reproduire dansnos nanomachines : la croissance géométrique.

Lorsque la première cellule du futur embryon est créée, elle se dédouble, puis les deux cellules sedédoublent à leur tour, et ainsi de suite.

Pour reprendre l’exemple de la fabrication d’une feuille de papier qui prenait 13 milliards d’années à sefabriquer atome par atome, si nous la fabriquions de cette façon : une nanomachine se dédoublant, puisles deux obtenues se dédoublant à leur tour, encore et encore, il suffirait de moins de deux minutes pourcréer la feuille entière!

Un des points fondamentaux de la maîtrise de la nanotechnologie est donc la créationd’une machine de taille moléculaire, capable de se dupliquer elle-même.

Brin d’ADN (environ 2,3 nm de large)(source : Nanotechnology - BC Crandall)

Assemblage d’une protéine par un ribosome (source : Nanotechnology - BC Crandall)



Afin de pouvoir fabriquer autre chose que des copies d’elle-même, il est, bien sûr, indispensable qu’ellepuisse également fabriquer d’autres structures!

Les programmes de recherches ont tous pour but de fabriquer une première version de cette nanomachineappelée : un assembleur. Cet assembleur serait une machine contenant quelques millions d’atomes,intégrant au moins un bras manipulateur permettant de placer les atomes un par un à l’endroit voulu.

Une fois cette première version fabriquée, même de façon assez rudimentaire, même en peud’exemplaires, il sera possible d’en fabriquer d’autres plus évoluées, et de réaliser les premièresnanomachines...

Plusieurs voies d’accès différentes à ce premier assembleur sont actuellement poursuivies, dont :

- la construction directe à l’aide des microscopes évoqués auparavant,- l’auto-assemblage par ingénierie génétique.

Autant vous le dire tout suite : aucune de ces voies n’est proche d’arriver au résultat espéré dans les joursqui viennent !

Tout d’abord, aucun assembleur n’a encore été conçu dans tous ses détails. Plusieurs éléments denanomachines ont été proposés, certains pour la partie « active » de l’outil manipulant les atomesservant à la fabrication, certains pour le déplacement du bras manipulateur, etc. De nombreux problèmesd’ingénierie restent encore à résoudre!

Le moyen de commande du premier assembleur n’est de même que très schématiquement proposé. (Lesgénérations futures d’assembleurs pourront avoir leur propre « nano-ordinateur » embarqué permettantleur commande, mais les assembleurs des premières générations devront, d’une façon ou d’une autre,être télécommandés.)

Bras manipulateur d’un futur « assembleur » (source : Nanosystems)Cet élément serait constitué d’environ 4 millions d’atomes.



Les mécanismes de fourniture des atomes et molécules servant de matériaux de construction àl’assembleur, nécessitent également encore des études...

D’autre part, les microscopes d’aujourd’hui peuvent manipuler quelques atomes, mais il est difficilementenvisageable de les utiliser pour fabriquer directement une machine contenant plusieurs millionsd’atomes...

L’auto-assemblage par ingénierie génétique permet d’utiliser les outils modernes de manipulation demorceaux d’ADN. Plusieurs laboratoires ont ainsi réussi à fabriquer des structures en créant et en liantplusieurs brins d’ADN entre eux, et il est peut-être possible de créer un premier assembleur constitué demorceaux d’ADN. Toutefois la façon de le réaliser m’apparaît, à la lecture des travaux en cours, encoreplus floue...

Un axe de recherche lié au domaine est celui des fullerènes. Vous connaissez peut-être ces molécules decarbone nouvellement découvertes (et qui ont valu le prix Nobel à Richard Smalley, un des principauxpromoteur de la nanotechnologie moléculaire)? Les applications de ces molécules sont nombreuses, ycompris dans l’amélioration des outils de manipulation des atomes. Les chercheurs essaient pour l’instantde mettre au point des méthodes de production industrielles de ces structures.

Enfin, un axe de recherche parallèle, est celui de la conception sur ordinateur de structures moléculaires,de nano-machines et de nano-ordinateurs.

Ces travaux ont plusieurs buts : tenter de s’assurer du fonctionnement de ces nano-machines, ets’attaquer, dès aujourd’hui, aux problèmes d’ingénierie à résoudre une fois les premiers assembleursdisponibles.

Divers essieux (Source : Site Web Foresight)

Ces quelques exemples disparates des recherches en cours sont un faible échantillon de l’activité intenseet brouillonne qui existe actuellement dans le domaine. De nombreux documents sont disponibles surInternet (une liste d’adresses est jointe en annexe).

Il s’est par exemple formé une équipe de recherche internationale, sur Internet, concernant tous lesaspects du développement d’un nano-ordinateur (conception matérielle et logicielle, techniques decommunication, fiabilité, applications, etc.).



APPLICATIONS

Nous pouvons maintenant passer à la partie la plus amusante de ma présentation : supposons lespremiers assembleurs créés, et imaginons quelques applications possibles (tous ces exemples sont tirésde livres ou d’articles cités en référence).

Fabrication

La nanotechnologie permet une amélioration de la qualité de fabrication sans précédent. Les atomes étantplacés de façon précise, les problèmes liés aux impuretés et aux défauts dans les matériaux disparaissentpresque entièrement. Il est ainsi possible de fabriquer des matériaux plus solides, utilisant beaucoupmoins de matière.

Le coût de fabrication des objets serait extraordinairement réduit, car la fabrication consommeraitbeaucoup moins d’énergie et de matière première qu’à présent. De plus, la production étant entièrementautomatique, les coûts de mains-d’œuvre sont pratiquement nuls.

En fait, on s’accorde à dire que les coûts de fabrication seraient pratiquement réduits aux coûts deconception (ce qui est le cas aujourd’hui dans l’industrie des logiciels pour ordinateur). En effet, lamatière première peut être entièrement recyclée, et l’énergie peut provenir de capteurs solaires. (Ce quilimite aujourd’hui la possibilité d’utiliser les capteurs solaires à plus grande échelle est leur coût defabrication et leur rendement, deux problèmes que la nanotechnologie devrait être en mesure de résoudresans difficulté).

L’exemple classiquement donné est celui d’un appareil qui pourrait ressembler à un four à micro-onde.Un tableau de commande permettrait de choisir l’objet souhaité : une paire de chaussure, un ordinateur,une pizza, etc. Des assembleurs commencent par se multiplier dans l’appareil, prenant la forme de l’objetdésiré. Puis, une fois la structure créée, ils assemblent l’objet choisi, atome par atome. La paire dechaussure est prête en deux minutes !

Construction

De la même façon, les techniques de constructions pourraient être bouleversées. Il est possibled’imaginer des immeubles se créant pour ainsi dire eux-mêmes, des routes ou des tunnels se creusant dela même façon.

Nourriture

De même qu’il serait possible de fabriquer une montre ou une paire de chaussure, il est possible derecréer de la nourriture directement à partir de l’air et de quelques déchets. C’est ce que fait la chaînealimentaire, et il est certainement possible d’arriver directement à un steak frites avec salade, sans passerpar la croissance de laitue, de pommes de terre, l’élevage d’animaux, puis leur traitement avant que leplat final n’arrive dans notre assiette!



Médecine, durée de la vie

D’autres applications touchent à la santé.

Il est envisagé de construire de minuscules nano-robots, capables de se déplacer à l’intérieur du corpshumain, voire dans les cellules du corps humain, à la recherche d’agents infectieux, de cellulescancéreuses, par exemple pour les marquer pour destruction par le système immunitaire, ou même pourles détruire directement.

Il a même été envisagé que ces robots aillent réparer directement l’ADN endommagé des cellules.

Des applications plus étonnantes encore sont imaginées :

- réparation active de lésions : au lieu d’aider le corps à se raccommoder tout seul, comme le faitla médecine chirurgicale actuelle, il serait possible, par exemple, d’aider plus activement à lareconstruction, voir de recréer directement les tissus ou les organes atteints.

- augmentation des capacités du cerveau (par exemple par interfaçage direct avec des nano-ordinateurs ou des banques de données),

- amélioration des tissus (augmentation de la solidité des os, etc.).

Évidemment, une des retombées espérées est une augmentation très importante de la durée de vie, dansun état de jeunesse préservé.

Informatique

Il sera possible de fabriquer des ordinateurs minuscules, par exemple pour contrôler les nano-robots sebaladant dans le corps humain. Les projets actuels laissent entrevoir des ordinateurs plus puissants queles super-ordinateurs actuels, mais tenant dans un cube de dix microns de côté.

Pour les même raisons que précédemment, le coût de fabrication de ces ordinateurs seraitextraordinairement réduit.

Il est difficile d’imaginer aujourd’hui les conséquences que pourraient avoir l’inclusion d’ordinateurs etde nano-machines dans les objets de la vie ordinaire. Imaginez une table qui pourrait sur commande,s’agrandir, se transformer en lit, en chaise, etc.

On pourrait avoir une paire de lunette permettant la visualisation de textes, dessins, vidéos, avecsonorisation. Elle pourrait contenir plus de livres et d’heures de films que la Bibliothèque de France,serait en contact radio ou optique avec l’extérieur. Ces lunettes intégreraient une caméra vidéo et desmicros, permettant d’enregistrer tout ce que vous voyez. Elle serait commandable par la voix, ou pardétection des mouvements oculaires, voire manuels (par détection des mains, et visualisation dedifférents artefacts visuels de commande). Ces lunettes pourraient contenir votre agenda, reconnaître lespersonnes dont le nom vous échappe... Pour vous donner un faible aperçu des possibilités qu’auraientcet outil!

Écologie

La nanotechnologie permettra non seulement le recyclage complet des déchets lors de la fabrication, maisle nettoyage des déchets accumulés jusqu’à aujourd’hui. Il serait ainsi possible de « nettoyer laplanète », de diminuer, si besoin est, la quantité de CO2 dans l’atmosphère, etc.



Espace

La NASA est très active dans le domaine de la nanotechnologie, car elle voit là le moyen le plus sûr et leplus économique d’explorer et de coloniser l’espace.

La nanotechnologie permettra non seulement la fabrication de fusées, de stations orbitales, etc., plussolides, plus fiable et à un coût réduit, mais également de « terraformer » d’autres planètes! Il existe desscénarios permettant, à terme, d’aller vivre sur Mars, par exemple.

Une autre application envisagée est « l’ascenseur pour l’espace ». Il s’agit de fabriquer un câble partantde l’équateur, et tournant avec la terre en orbite géostationnaire. Une fois ce câble en place, l’énergie àdépenser pour quitter l’attraction terrestre devient minime par rapport aux moyens utilisés aujourd’hui.

La nanotechnologie devrait permettre la fabrication d’un câble suffisamment solide, et pour un coûtacceptable pour une telle application.

Armement

Un des dangers les plus importants de la nanotechnologie est évidemment la possibilité de l’utiliser à desfins guerrières, criminelles ou terroristes.

Indépendamment de l’amélioration de la fabrication d’armes conventionnelles, il sera par exemplepossible de fabriquer par millions de minuscules robots volants, difficilement détectables, permettantd’envahir la vie privée de tous, et hors du contrôle des nations.

Il sera également possible de fabriquer des nano-virus, ciblés pour tuer, beaucoup plus efficacement queles virus naturels. Leur cible pourrait être une personne précise, un groupe de population (définit par saposition géographique, quelques caractéristiques génétiques, etc.).

Des fanatiques pourraient fabriquer une nanomachine se reproduisant indéfiniment, sans contrainte, ettransformant absolument tout en plus de copies d’elle-même, visant ainsi à la destruction complète detoute vie sur la planète...

En fait, ces dangers sont si grands, que plusieurs personnes (dont moi!), seraient favorables à un arrêt,ou en tout cas un ralentissement des recherches dans le domaine, si cela était possible! Dans le contextede compétition internationale, cela paraissant totalement illusoire, il reste le choix de se préparer àl’arrivée de cette technologie et des problèmes qu’elle engendrera.

Enfin, je finirais les applications envisageables avec un échantillon de quelques idées plus futuristesencore :

Peinture : écran, affichage variable, etc.

Imaginons un vaporisateur de peinture. Mais au lieu de peinture, il vaporise des nanomachines, qui vontse coller à la surface sur laquelle on l’applique. Cette surface peut être de la taille d’un timbre-poste, d’unimmeuble, être disposée sur des vêtements, sur la peau, ou sur un mur.

Ensuite, les nanomachines, communiquant entre elles, et avec l’extérieur peuvent, par exemple, affichern’importe qu’elle image, fixe ou animée. Vous souhaitez changer de papier peint? Il suffit d’unecommande et les motifs affichés sur le mur changent immédiatement.

Vous voulez voir un film? Le mur vous le présente, à la taille que vous souhaitez.

Une technologie en cours d’étude (« Phased Array Optics », une méthode utilisant la synchronisationde phase de la lumière émise par une source), permet de créer des images en trois dimensions. Il est ainsipossible d’imaginer une salle couverte de cette peinture, et permettant de représenter un spectacle animéen trois dimensions!



Devant un mur couvert de cette technologie, il serait impossible de distinguer une scène réelle d’unefausse! Un paysage est présenté, prenez des jumelles, vous verrez le paysage avec plus de détails!

Livres à contenu changeant

Vous tenez un livre dans les mains, ressemblant à un livre ordinaire.

Appuyez sur une référence en bas de page, et le texte de référence apparaît, prenant la place du texted’origine. Vous souhaitez rechercher un passage dans le texte? Une image? Demandez à haute voix aulivre de vous la retrouver!

Vous voulez abandonner momentanément sa lecture pour en lire un autre, demandez au livre le titrechoisi, son texte, et ses images, prennent la place du précédent dans les pages.

Vous souhaitez regarder les informations? N’importe qu’elle page peut vous présenter une image animée,et les émissions de télévision en cours de diffusion, ou enregistrées dans le livre!

Murs ré-arrangeables, à transparence variable

Vous êtes chez vous, et vous organisez une soirée. Vous souhaitez agrandir le salon pour quelquesheures? Poussez les murs, et réorganisez la pièce comme vous le souhaitez!

Vous voulez agrandir une fenêtre? La supprimer? La rendre plus teintée? Donnez la commande, le mur semodifie!

‘Utility Fog’

Une utilisation de la nanotechnologie encore plus étrange a été imaginée et étudiée par Storrs Hall. Il l’aappelé “Utility Fog” : « Le brouillard-outil ».

Imaginez un robot microscopique, environ de la taille d’une bactérie, avec une douzaine de brastélescopiques. Maintenant, vous remplissez l’air d’une pièce de tels robots, ils s’attachentautomatiquement les uns aux autres par leurs bras télescopiques, et se maintiennent éloignés les uns desautres. Une fois la pièce remplie, ils occupent environ 5% de l’air de la pièce.

Ces robots sont programmés pour être non obstructifs. Vous pouvez marcher normalement dans la pièce,respirer, etc., sans vous rendre compte de leur présence. Leur réseau se reconstituant automatiquementaprès votre passage.

Vous êtes assis, vous souhaitez un verre d’une boisson dans le réfrigérateur. Donnez la commande : laporte du réfrigérateur s’ouvre toute seule, la boisson est placée dans un verre qui semble flotter dans lesairs, puis il vient se placer dans votre main!

Le « brouillard » a exercé les forces correspondantes sur la porte du réfrigérateur, le verre, etc. De lamême façon, vous pourriez voler jusqu’au deuxième étage!

Maintenant, le brouillard peut se rendre visible si besoin est. Vous avez besoin momentanément d’unechaise supplémentaire? Elle se matérialise sous vos yeux!

Vous souhaitez discuter immédiatement avec un ami situé à 100 km de chez vous? Après avoir reçu sonaccord, vous pouvez vous matérialiser chez lui! Son brouillard recrée votre image (en trois dimensions!)dans la pièce, de même que votre brouillard recrée votre ami chez vous. Vous pouvez alors discuter tousles deux comme si vous étiez dans la même pièce!

Les applications du brouillard-outil sont innombrables, en tout cas trop nombreuses pour être évoquéespendant cette courte présentation!



Intelligence artificielle

La possibilité de puissance de calcul sans précédent, voire de reproduction de réseaux de neurones detailles comparables à ceux du cerveau humain, laisse entrevoir la possibilité de créer des « intelligencesartificielles ».

On ne peut dire si les machines ainsi créées seront simplement des ordinateurs prenant mieux en compteleur environnement, des outils d’aides à l’analyse humaine, ou si elles dépasseront en rapidité, enpuissance, nos possibilités, mais rien ne permet d’exclure cette dernière hypothèse.

En fait, le scénario actuellement le plus probable, est celui d’une évolution conjointe, plus ou moinsinévitable, de l’homme et des machines, intégrant ces possibilités. Cette évolution, qui a commencé avecles outils, puis la mécanisation, et enfin avec l’informatique, se poursuivrait avec les appareils que j’aiévoqué, pour finir par être intégrés à l’intérieur du corps humain, augmentant nos capacités physiques etintellectuelles.

Tout ceci peut paraître proche du rêve ou de la science-fiction.

Toutefois, c’est également ce que l’on a dit pendant longtemps du vol humain, ou du voyage sur lalune...

J’aime beaucoup cette réflexion d’Arthur C Clarke, qui s’applique parfaitement ici : «Toute technologiesuffisamment avancée est indistinguable de la magie».

CONCLUSION

J’espère que ma présentation, assez sommaire, vous a tout de même donné un aperçu sur ce domaine derecherche très actif aujourd’hui. Les financements pour les recherches dans le domaine de lananotechnologie augmentent régulièrement, et les programmes de recherche décrivent de façon de plus enplus directe les techniques et les buts de la nanotechnologie.

L’arrivée de ces techniques, d’ici dix, vingt ou trente ans bouleversera les moyens de production, ainsique, je pense, tous les domaines de l’existence humaine.

Comment se fera cette transition? Arriverons-nous à en maîtriser les dangers? C’est bien sûr impossibleà dire, mais je pense qu’il est urgent de s’y préparer.

Ainsi, le Japon et les États-Unis ont-ils lancé des programmes de financement de recherche citantexplicitement la nanotechnologie moléculaire.

Depuis Avril 1998 (date de la première version de cette présentation), la nanotechnologie est identifiéecomme secteur technologique de première importance dans le monde. Ainsi, le Japon et les États-Unisont-ils lancé des programmes de financement de recherche citant explicitement la nanotechnologiemoléculaire.

Des programmes européens ont également été lancés. La nanotechnologie a été citée dans le communiquéde presse du Premier Ministre de Juin 1999 et dans différentes publications officielles françaises eteuropéennes (chercher "Nanotechnologies" sur le site de l'Assemblée nationale, ou sur le site de l'UnionEuropéenne).

Pour l'instant, la pluspart de ces initiatives concernent des applications à court terme de lananotechnologie (principalement de nouveaux matériaux), mais sont restent encore peu sensibilisés auxenjeux de la nanotechnologie moléculaire.



ANNEXES

Télévision

ARTE a consacré la soirée du 26 Mai 1998 à la nanotechnologie.

Plusieurs émissions y ont été consacrées sur différentes chaînes.

Sociétés scientifiques

Foresight Institute

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Club Nanotechnologie

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Publications (encart)

En Français

Plusieurs livres sont consacrés à la nanotechnologie, par exemple :

Nanotechnologies (Mark et Daniel Ratner - CampusPress - 2003)Les nanotechnologies - Université de tous les savoirs (Collectif - Odile Jacob - 2004)Les nanotechnologies, un espoir ou une menace? (Yan de Kerorguen - Lignes de repères - 2006)Les nanotechnologies doivent-elles nous faire peur ? (L. Laurent et JC Petit - Le Pommier - 2005)Les nanotechnologies (Michel Wautelet et coll. - Dunod - 2003)

Je n’ai pas trouvé d’ouvrage consacré uniquement à la nanotechnologie en Français, toutefois les articlesou les livres y faisant référence sont de plus en plus nombreux. Un petit échantillon est donné ci-dessous:

Encyclopedia Universalis : La science au présent 1998 (p.162, Les nanotechniques)L’Homme Symbiotique - Joël de Rosnay (p.259, L’essor des nanotechnologies)Dictionnaire du XXIeme siècle - Jacques AttaliNanotechnologies et micromachines - Masson, Paris 1992

Articles de différentes revues:

La Recherche, Mars 1998. Matériaux pour le 3e millénaire (nanotubes, fullerènes)L’express, 2/1/97. (p.77, La nanotechnologie)Le Nouvel Observateur, 18/7/96. (p.70, Bientôt les nanotechnologies)Pour la Science, Mars 1988. Récréations Informatiques : Le petit monde de la nanotechnologieRDT info (Commission européenne), n°21, Février 1999, Nanotechnologie: L'ère de l'infiniment

petit.SVM, Octobre 1999, Les nanotechnologies inventent le diamantSVM Mac, Novembre 1999, Copier des objets (p32)Eureka, Novembre 1999, Expériences du NanomondeLe Quotidien du Medecin, 15 Novembre 1999, p.35Le Quotidien du Medecin, 11 mai 2000, p.28Libération, Nanotechnologies, 2-3 Décembre 2000



En Anglais

De nombreux ouvrages sont consacrés à la nanotechnologie moléculaire, ainsi que de nombreux articlesscientifiques ou de vulgarisation. Les livres principaux sont :

Engines of creation - The coming era of nanotechnology.K. Eric Drexler - Oxford University Press - 1990Disponible en intégralité sur Internet (http://www.foresight.org/EOC/index.html)

Unbounding the future - The nanotechnology revolution.K. Eric Drexler - Quill - 1991Disponible sur Internet : http://www.foresight.org/UTF/Unbound_LBW/index.html

Nanosystems, Molecular Machinery, Manufacturing and Computation.K. Eric Drexler - Wiley InterScience -1992

Nanomedicine, Volume I- : Basic CapabilitiesRobert A Freitas - Landes Biosciences - 1999Disponible en intégralité sur Internet: (www.nanomedicine.com)

Nanotechnology : Research and perspectivesBC Crandall & James Lewis - MIT Press - 1992

Nanotechnology Playhouse , Building machines from atoms.Christopher Lampton - The Waite Group - 1993

Nano, The emerging science of nanotechnology.Ed Regis - Back Bay Books - 1995

Beyond 2000 : Micromachines and NanotechnologyDavid Darling - Dillon Pr - 1995

Becoming immortal : Nanotechnology, You, and the Demise of DeathWesley Du Charme - 1995

Nanotechnology - Molecular Speculations on Global Abundance.BC Crandall - MIT Press - 1996

Prospects in Nanotechnology: Toward Molecular Manufacturing.Markus Krummenacker - James Lewis (Editor) - 1995

Travels to the Nanoworld. Miniature machinery in nature and technology.Michael Gross - Plenum - 1999

Quelques études et publications gouvernementales y font aussi références :

MHSS 2020 - Focused study on Biotechnology & Nanotechnology.For the Pentagon - July 29, 1997Disponible sur internet (http://keydet.sra.com/hs2020/homepage/hs2020.htm)

Journaux consacrés à la nanotechnologie :

Nanotechnology - American Institute of Physics -Tel: +1 (516) 576 2270.Via internet : http://www.ioppublishing.com/Journals/Catalogue/NA

Nanotechnology magazine - 4451 Sierra Dr.Honolulu, Hawaii 96816 USAVia internet : http://nanozine.com

De nombreux articles sont disponibles sur Internet (voir sous la rubriques Sites Web).



Sites Web

Pour chercher les sites les plus actifs sur Internet, utiliser un moteur de recherche en précisant les motsclés suivants:

NanotechnologiesNanosciences“Nanotechnologie moléculaire” (inclure les guillemets)“Molecular nanotechnology” (inclure les guillemets)

Il est aussi possibel de chercher “Nanotechnologie” sur les sites de l’Assemblée Nationale et de l’UnionEuropéenne:

http://www.assemblee-nationale.frhttp://europa.eu.int/index_fr.htm

Une excellente page de démarrage dans le domaine (en anglais):

http://www.foresight.org/nano/general.html

Foresight Institute

http://www.foresight.org/

Site europeen du programme ESPRIT sur les Nanotechnologies

http://www.cordis.lu/esprit/src/melari.htm#nano

Zyvex Merkle nanotechnology pages

http://www.zyvex.com/nano/

NASA, NASA Ames Research Center

http://ipt.arc.nasa.gov/

Institute for Molecular Manufacturing

http://www.imm.org/

Rice University

http://cnst.rice.edu/

Zyvex (Société privée de recherche en nanotechnologie)

http://www.zyvex.com

Nanocomputer Dream Team Project

http://nanocomputer.org

Liste de livres sur la nanotechnologie (an anglais)

http://www.ccst.us/ccst/pubs/nano/biblio.html

Quelques sites en Français

http://www.cnrs.fr/comitenational/doc/rapport/2004/lesateliers/023-046-Chap2-Nanosciences.pdfhttp://www.genopole.org/media/pdf/fr/communication/040506-nanosciences.pdfhttp://perso.wanadoo.fr/nanotechnologie/http://www.u-bourgogne.fr/LPUB/opsub/optique.htmhttp://www.rmnt.org/http://europa.eu.int/comm/dg12/rtdinf21/ftoc.htmlhttp://www.cnrs.fr/



http://www.imp.cnrs.fr/utilisateurs/guillard/page2.html



TEXTE DE LA CONFERENCE DE FEYNMAN DE 1959

There's plenty of room at the bottom.

This transcript of the classic talk that Richard Feynman gave on December 29th 1959 at the annualmeeting of the American Physical Society at the California Institute of Technology (Caltech) was firstpublished in the February 1960 issue of Caltech's Engineering and Science, which owns the copyright.It has been made available on the web at http://nano.xerox.com/nanotech/feynman.html with their kindpermission.

An Invitation to Enter a New Field of Physics

by Richard P. Feynman

I imagine experimental physicists must often look with envy at men like Kamerlingh Onnes, whodiscovered a field like low temperature, which seems to be bottomless and in which one can go downand down. Such a man is then a leader and has some temporary monopoly in a scientific adventure.Percy Bridgman, in designing a way to obtain higher pressures, opened up another new field and wasable to move into it and to lead us all along. The development of ever higher vacuum was a continuingdevelopment of the same kind.

I would like to describe a field, in which little has been done, but in which an enormous amount can bedone in principle. This field is not quite the same as the others in that it will not tell us much offundamental physics (in the sense of, ``What are the strange particles?'') but it is more like solid-statephysics in the sense that it might tell us much of great interest about the strange phenomena that occur incomplex situations. Furthermore, a point that is most important is that it would have an enormousnumber of technical applications.

What I want to talk about is the problem of manipulating and controlling things on a small scale.

As soon as I mention this, people tell me about miniaturization, and how far it has progressed today.They tell me about electric motors that are the size of the nail on your small finger. And there is a deviceon the market, they tell me, by which you can write the Lord's Prayer on the head of a pin. But that'snothing; that's the most primitive, halting step in the direction I intend to discuss. It is a staggeringlysmall world that is below. In the year 2000, when they look back at this age, they will wonder why itwas not until the year 1960 that anybody began seriously to move in this direction.

Why cannot we write the entire 24 volumes of the Encyclopedia Britannica on the head of a pin?

Let's see what would be involved. The head of a pin is a sixteenth of an inch across. If you magnify itby 25,000 diameters, the area of the head of the pin is then equal to the area of all the pages of theEncyclopaedia Britannica. Therefore, all it is necessary to do is to reduce in size all the writing in theEncyclopaedia by 25,000 times. Is that possible? The resolving power of the eye is about 1/120 of aninch---that is roughly the diameter of one of the little dots on the fine half-tone reproductions in theEncyclopaedia. This, when you demagnify it by 25,000 times, is still 80 angstroms in diameter---32atoms across, in an ordinary metal. In other words, one of those dots still would contain in its area 1,000atoms. So, each dot can easily be adjusted in size as required by the photoengraving, and there is noquestion that there is enough room on the head of a pin to put all of the Encyclopaedia Britannica.



Furthermore, it can be read if it is so written. Let's imagine that it is written in raised letters of metal; thatis, where the black is in the Encyclopedia, we have raised letters of metal that are actually 1/25,000 oftheir ordinary size. How would we read it?

If we had something written in such a way, we could read it using techniques in common use today.(They will undoubtedly find a better way when we do actually have it written, but to make my pointconservatively I shall just take techniques we know today.) We would press the metal into a plasticmaterial and make a mold of it, then peel the plastic off very carefully, evaporate silica into the plastic toget a very thin film, then shadow it by evaporating gold at an angle against the silica so that all the littleletters will appear clearly, dissolve the plastic away from the silica film, and then look through it with anelectron microscope!

There is no question that if the thing were reduced by 25,000 times in the form of raised letters on thepin, it would be easy for us to read it today. Furthermore; there is no question that we would find it easyto make copies of the master; we would just need to press the same metal plate again into plastic and wewould have another copy.

How do we write small?

The next question is: How do we write it? We have no standard technique to do this now. But let meargue that it is not as difficult as it first appears to be. We can reverse the lenses of the electronmicroscope in order to demagnify as well as magnify. A source of ions, sent through the microscopelenses in reverse, could be focused to a very small spot. We could write with that spot like we write in aTV cathode ray oscilloscope, by going across in lines, and having an adjustment which determines theamount of material which is going to be deposited as we scan in lines.

This method might be very slow because of space charge limitations. There will be more rapid methods.We could first make, perhaps by some photo process, a screen which has holes in it in the form of theletters. Then we would strike an arc behind the holes and draw metallic ions through the holes; then wecould again use our system of lenses and make a small image in the form of ions, which would depositthe metal on the pin.

A simpler way might be this (though I am not sure it would work): We take light and, through an opticalmicroscope running backwards, we focus it onto a very small photoelectric screen. Then electrons comeaway from the screen where the light is shining. These electrons are focused down in size by the electronmicroscope lenses to impinge directly upon the surface of the metal. Will such a beam etch away themetal if it is run long enough? I don't know. If it doesn't work for a metal surface, it must be possible tofind some surface with which to coat the original pin so that, where the electrons bombard, a change ismade which we could recognize later.

There is no intensity problem in these devices---not what you are used to in magnification, where youhave to take a few electrons and spread them over a bigger and bigger screen; it is just the opposite. Thelight which we get from a page is concentrated onto a very small area so it is very intense. The fewelectrons which come from the photoelectric screen are demagnified down to a very tiny area so that,again, they are very intense. I don't know why this hasn't been done yet!

That's the Encyclopaedia Britannica on the head of a pin, but let's consider all the books in the world.The Library of Congress has approximately 9 million volumes; the British Museum Library has 5 millionvolumes; there are also 5 million volumes in the National Library in France. Undoubtedly there areduplications, so let us say that there are some 24 million volumes of interest in the world.

What would happen if I print all this down at the scale we have been discussing? How much spacewould it take? It would take, of course, the area of about a million pinheads because, instead of therebeing just the 24 volumes of the Encyclopaedia, there are 24 million volumes. The million pinheads canbe put in a square of a thousand pins on a side, or an area of about 3 square yards. That is to say, the



silica replica with the paper-thin backing of plastic, with which we have made the copies, with all thisinformation, is on an area of approximately the size of 35 pages of the Encyclopaedia. That is about halfas many pages as there are in this magazine. All of the information which all of mankind has everyrecorded in books can be carried around in a pamphlet in your hand---and not written in code, but asimple reproduction of the original pictures, engravings, and everything else on a small scale withoutloss of resolution.

What would our librarian at Caltech say, as she runs all over from one building to another, if I tell herthat, ten years from now, all of the information that she is struggling to keep track of--- 120,000volumes, stacked from the floor to the ceiling, drawers full of cards, storage rooms full of the olderbooks---can be kept on just one library card! When the University of Brazil, for example, finds that theirlibrary is burned, we can send them a copy of every book in our library by striking off a copy from themaster plate in a few hours and mailing it in an envelope no bigger or heavier than any other ordinary airmail letter.

Now, the name of this talk is “There is Plenty of Room at the Bottom”---not just “There is Room at theBottom.” What I have demonstrated is that there is room---that you can decrease the size of things in apractical way. I now want to show that there is plenty of room. I will not now discuss how we are goingto do it, but only what is possible in principle---in other words, what is possible according to the laws ofphysics. I am not inventing anti-gravity, which is possible someday only if the laws are not what wethink. I am telling you what could be done if the laws are what we think; we are not doing it simplybecause we haven't yet gotten around to it.

Information on a small scale

Suppose that, instead of trying to reproduce the pictures and all the information directly in its presentform, we write only the information content in a code of dots and dashes, or something like that, torepresent the various letters. Each letter represents six or seven “bits” of information; that is, you needonly about six or seven dots or dashes for each letter. Now, instead of writing everything, as I didbefore, on the surface of the head of a pin, I am going to use the interior of the material as well.

Let us represent a dot by a small spot of one metal, the next dash, by an adjacent spot of another metal,and so on. Suppose, to be conservative, that a bit of information is going to require a little cube of atoms5 times 5 times 5---that is 125 atoms. Perhaps we need a hundred and some odd atoms to make sure thatthe information is not lost through diffusion, or through some other process.

I have estimated how many letters there are in the Encyclopaedia, and I have assumed that each of my 24million books is as big as an Encyclopaedia volume, and have calculated, then, how many bits ofinformation there are (10^15). For each bit I allow 100 atoms. And it turns out that all of the informationthat man has carefully accumulated in all the books in the world can be written in this form in a cube ofmaterial one two-hundredth of an inch wide--- which is the barest piece of dust that can be made out bythe human eye. So there is plenty of room at the bottom! Don't tell me about microfilm!

This fact---that enormous amounts of information can be carried in an exceedingly small space---is, ofcourse, well known to the biologists, and resolves the mystery which existed before we understood allthis clearly, of how it could be that, in the tiniest cell, all of the information for the organization of acomplex creature such as ourselves can be stored. All this information---whether we have brown eyes,or whether we think at all, or that in the embryo the jawbone should first develop with a little hole in theside so that later a nerve can grow through it---all this information is contained in a very tiny fraction ofthe cell in the form of long-chain DNA molecules in which approximately 50 atoms are used for one bitof information about the cell.



Better electron microscopes

If I have written in a code, with 5 times 5 times 5 atoms to a bit, the question is: How could I read ittoday? The electron microscope is not quite good enough, with the greatest care and effort, it can onlyresolve about 10 angstroms. I would like to try and impress upon you while I am talking about all ofthese things on a small scale, the importance of improving the electron microscope by a hundred times. Itis not impossible; it is not against the laws of diffraction of the electron. The wave length of the electronin such a microscope is only 1/20 of an angstrom. So it should be possible to see the individual atoms.What good would it be to see individual atoms distinctly?

We have friends in other fields---in biology, for instance. We physicists often look at them and say,“You know the reason you fellows are making so little progress?” (Actually I don't know any fieldwhere they are making more rapid progress than they are in biology today.) “You should use moremathematics, like we do.” They could answer us---but they're polite, so I'll answer for them: “What youshould do in order for us to make more rapid progress is to make the electron microscope 100 timesbetter.”

What are the most central and fundamental problems of biology today? They are questions like: What isthe sequence of bases in the DNA? What happens when you have a mutation? How is the base order inthe DNA connected to the order of amino acids in the protein? What is the structure of the RNA; is itsingle-chain or double-chain, and how is it related in its order of bases to the DNA? What is theorganization of the microsomes? How are proteins synthesized? Where does the RNA go? How does itsit? Where do the proteins sit? Where do the amino acids go in? In photosynthesis, where is thechlorophyll; how is it arranged; where are the carotenoids involved in this thing? What is the system ofthe conversion of light into chemical energy?

It is very easy to answer many of these fundamental biological questions; you just look at the thing! Youwill see the order of bases in the chain; you will see the structure of the microsome. Unfortunately, thepresent microscope sees at a scale which is just a bit too crude. Make the microscope one hundred timesmore powerful, and many problems of biology would be made very much easier. I exaggerate, ofcourse, but the biologists would surely be very thankful to you---and they would prefer that to thecriticism that they should use more mathematics.

The theory of chemical processes today is based on theoretical physics. In this sense, physics suppliesthe foundation of chemistry. But chemistry also has analysis. If you have a strange substance and youwant to know what it is, you go through a long and complicated process of chemical analysis. You cananalyze almost anything today, so I am a little late with my idea. But if the physicists wanted to, theycould also dig under the chemists in the problem of chemical analysis. It would be very easy to make ananalysis of any complicated chemical substance; all one would have to do would be to look at it and seewhere the atoms are. The only trouble is that the electron microscope is one hundred times too poor.(Later, I would like to ask the question: Can the physicists do something about the third problem ofchemistry---namely, synthesis? Is there a physical way to synthesize any chemical substance?)

The reason the electron microscope is so poor is that the f-value of the lenses is only 1 part to 1,000; youdon't have a big enough numerical aperture. And I know that there are theorems which prove that it isimpossible, with axially symmetrical stationary field lenses, to produce an f-value any bigger than so andso; and therefore the resolving power at the present time is at its theoretical maximum. But in everytheorem there are assumptions. Why must the field be symmetrical? I put this out as a challenge: Is thereno way to make the electron microscope more powerful?

The marvelous biological system

The biological example of writing information on a small scale has inspired me to think of something thatshould be possible. Biology is not simply writing information; it is doing something about it. Abiological system can be exceedingly small. Many of the cells are very tiny, but they are very active; they



manufacture various substances; they walk around; they wiggle; and they do all kinds of marvelousthings---all on a very small scale. Also, they store information. Consider the possibility that we too canmake a thing very small which does what we want---that we can manufacture an object that maneuvers atthat level!

There may even be an economic point to this business of making things very small. Let me remind youof some of the problems of computing machines. In computers we have to store an enormous amount ofinformation. The kind of writing that I was mentioning before, in which I had everything down as adistribution of metal, is permanent. Much more interesting to a computer is a way of writing, erasing,and writing something else. (This is usually because we don't want to waste the material on which wehave just written. Yet if we could write it in a very small space, it wouldn't make any difference; it couldjust be thrown away after it was read. It doesn't cost very much for the material).

Miniaturizing the computer

I don't know how to do this on a small scale in a practical way, but I do know that computing machinesare very large; they fill rooms. Why can't we make them very small, make them of little wires, littleelements---and by little, I mean little. For instance, the wires should be 10 or 100 atoms in diameter, andthe circuits should be a few thousand angstroms across. Everybody who has analyzed the logical theoryof computers has come to the conclusion that the possibilities of computers are very interesting---if theycould be made to be more complicated by several orders of magnitude. If they had millions of times asmany elements, they could make judgments. They would have time to calculate what is the best way tomake the calculation that they are about to make. They could select the method of analysis which, fromtheir experience, is better than the one that we would give to them. And in many other ways, they wouldhave new qualitative features.

If I look at your face I immediately recognize that I have seen it before. (Actually, my friends will say Ihave chosen an unfortunate example here for the subject of this illustration. At least I recognize that it is aman and not an apple.) Yet there is no machine which, with that speed, can take a picture of a face andsay even that it is a man; and much less that it is the same man that you showed it before---unless it isexactly the same picture. If the face is changed; if I am closer to the face; if I am further from the face; ifthe light changes---I recognize it anyway. Now, this little computer I carry in my head is easily able to dothat. The computers that we build are not able to do that. The number of elements in this bone box ofmine are enormously greater than the number of elements in our ``wonderful'' computers. But ourmechanical computers are too big; the elements in this box are microscopic. I want to make some that aresubmicroscopic.

If we wanted to make a computer that had all these marvelous extra qualitative abilities, we would haveto make it, perhaps, the size of the Pentagon. This has several disadvantages. First, it requires too muchmaterial; there may not be enough germanium in the world for all the transistors which would have to beput into this enormous thing. There is also the problem of heat generation and power consumption; TVAwould be needed to run the computer. But an even more practical difficulty is that the computer would belimited to a certain speed. Because of its large size, there is finite time required to get the informationfrom one place to another. The information cannot go any faster than the speed of light---so, ultimately,when our computers get faster and faster and more and more elaborate, we will have to make themsmaller and smaller.

But there is plenty of room to make them smaller. There is nothing that I can see in the physical laws thatsays the computer elements cannot be made enormously smaller than they are now. In fact, there may becertain advantages.



Miniaturization by evaporation

How can we make such a device? What kind of manufacturing processes would we use? One possibilitywe might consider, since we have talked about writing by putting atoms down in a certain arrangement,would be to evaporate the material, then evaporate the insulator next to it. Then, for the next layer,evaporate another position of a wire, another insulator, and so on. So, you simply evaporate until youhave a block of stuff which has the elements--- coils and condensers, transistors and so on---ofexceedingly fine dimensions.

But I would like to discuss, just for amusement, that there are other possibilities. Why can't wemanufacture these small computers somewhat like we manufacture the big ones? Why can't we drillholes, cut things, solder things, stamp things out, mold different shapes all at an infinitesimal level?What are the limitations as to how small a thing has to be before you can no longer mold it? How manytimes when you are working on something frustratingly tiny like your wife's wrist watch, have you saidto yourself, ``If I could only train an ant to do this!'' What I would like to suggest is the possibility oftraining an ant to train a mite to do this. What are the possibilities of small but movable machines? Theymay or may not be useful, but they surely would be fun to make.

Consider any machine---for example, an automobile---and ask about the problems of making aninfinitesimal machine like it. Suppose, in the particular design of the automobile, we need a certainprecision of the parts; we need an accuracy, let's suppose, of 4/10,000 of an inch. If things are moreinaccurate than that in the shape of the cylinder and so on, it isn't going to work very well. If I make thething too small, I have to worry about the size of the atoms; I can't make a circle of ``balls'' so to speak,if the circle is too small. So, if I make the error, corresponding to 4/10,000 of an inch, correspond to anerror of 10 atoms, it turns out that I can reduce the dimensions of an automobile 4,000 times,approximately---so that it is 1 mm. across. Obviously, if you redesign the car so that it would work witha much larger tolerance, which is not at all impossible, then you could make a much smaller device.

It is interesting to consider what the problems are in such small machines. Firstly, with parts stressed tothe same degree, the forces go as the area you are reducing, so that things like weight and inertia are ofrelatively no importance. The strength of material, in other words, is very much greater in proportion.The stresses and expansion of the flywheel from centrifugal force, for example, would be the sameproportion only if the rotational speed is increased in the same proportion as we decrease the size. On theother hand, the metals that we use have a grain structure, and this would be very annoying at small scalebecause the material is not homogeneous. Plastics and glass and things of this amorphous nature are verymuch more homogeneous, and so we would have to make our machines out of such materials.

There are problems associated with the electrical part of the system---with the copper wires and themagnetic parts. The magnetic properties on a very small scale are not the same as on a large scale; there isthe ``domain'' problem involved. A big magnet made of millions of domains can only be made on asmall scale with one domain. The electrical equipment won't simply be scaled down; it has to beredesigned. But I can see no reason why it can't be redesigned to work again.

Problems of lubrication

Lubrication involves some interesting points. The effective viscosity of oil would be higher and higher inproportion as we went down (and if we increase the speed as much as we can). If we don't increase thespeed so much, and change from oil to kerosene or some other fluid, the problem is not so bad. Butactually we may not have to lubricate at all! We have a lot of extra force. Let the bearings run dry; theywon't run hot because the heat escapes away from such a small device very, very rapidly.

This rapid heat loss would prevent the gasoline from exploding, so an internal combustion engine isimpossible. Other chemical reactions, liberating energy when cold, can be used. Probably an externalsupply of electrical power would be most convenient for such small machines.



What would be the utility of such machines? Who knows? Of course, a small automobile would only beuseful for the mites to drive around in, and I suppose our Christian interests don't go that far. However,we did note the possibility of the manufacture of small elements for computers in completely automaticfactories, containing lathes and other machine tools at the very small level. The small lathe would nothave to be exactly like our big lathe. I leave to your imagination the improvement of the design to takefull advantage of the properties of things on a small scale, and in such a way that the fully automaticaspect would be easiest to manage.

A friend of mine (Albert R. Hibbs) suggests a very interesting possibility for relatively small machines.He says that, although it is a very wild idea, it would be interesting in surgery if you could swallow thesurgeon. You put the mechanical surgeon inside the blood vessel and it goes into the heart and ``looks''around. (Of course the information has to be fed out.) It finds out which valve is the faulty one and takesa little knife and slices it out. Other small machines might be permanently incorporated in the body toassist some inadequately-functioning organ.

Now comes the interesting question: How do we make such a tiny mechanism? I leave that to you.However, let me suggest one weird possibility. You know, in the atomic energy plants they havematerials and machines that they can't handle directly because they have become radioactive. To unscrewnuts and put on bolts and so on, they have a set of master and slave hands, so that by operating a set oflevers here, you control the ``hands'' there, and can turn them this way and that so you can handle thingsquite nicely.

Most of these devices are actually made rather simply, in that there is a particular cable, like a marionettestring, that goes directly from the controls to the ``hands.'' But, of course, things also have been madeusing servo motors, so that the connection between the one thing and the other is electrical rather thanmechanical. When you turn the levers, they turn a servo motor, and it changes the electrical currents inthe wires, which repositions a motor at the other end.

Now, I want to build much the same device---a master-slave system which operates electrically. But Iwant the slaves to be made especially carefully by modern large-scale machinists so that they are one-fourth the scale of the ``hands'' that you ordinarily maneuver. So you have a scheme by which you cando things at one- quarter scale anyway---the little servo motors with little hands play with little nuts andbolts; they drill little holes; they are four times smaller. Aha! So I manufacture a quarter-size lathe; Imanufacture quarter-size tools; and I make, at the one-quarter scale, still another set of hands againrelatively one-quarter size! This is one-sixteenth size, from my point of view. And after I finish doingthis I wire directly from my large-scale system, through transformers perhaps, to the one-sixteenth-sizeservo motors. Thus I can now manipulate the one-sixteenth size hands.

Well, you get the principle from there on. It is rather a difficult program, but it is a possibility. Youmight say that one can go much farther in one step than from one to four. Of course, this has all to bedesigned very carefully and it is not necessary simply to make it like hands. If you thought of it verycarefully, you could probably arrive at a much better system for doing such things.

If you work through a pantograph, even today, you can get much more than a factor of four in even onestep. But you can't work directly through a pantograph which makes a smaller pantograph which thenmakes a smaller pantograph---because of the looseness of the holes and the irregularities of construction.The end of the pantograph wiggles with a relatively greater irregularity than the irregularity with whichyou move your hands. In going down this scale, I would find the end of the pantograph on the end ofthe pantograph on the end of the pantograph shaking so badly that it wasn't doing anything sensible atall.

At each stage, it is necessary to improve the precision of the apparatus. If, for instance, having made asmall lathe with a pantograph, we find its lead screw irregular---more irregular than the large-scale one---we could lap the lead screw against breakable nuts that you can reverse in the usual way back and forthuntil this lead screw is, at its scale, as accurate as our original lead screws, at our scale.



We can make flats by rubbing unflat surfaces in triplicates together---in three pairs---and the flats thenbecome flatter than the thing you started with. Thus, it is not impossible to improve precision on a smallscale by the correct operations. So, when we build this stuff, it is necessary at each step to improve theaccuracy of the equipment by working for awhile down there, making accurate lead screws, Johansenblocks, and all the other materials which we use in accurate machine work at the higher level. We have tostop at each level and manufacture all the stuff to go to the next level---a very long and very difficultprogram. Perhaps you can figure a better way than that to get down to small scale more rapidly.

Yet, after all this, you have just got one little baby lathe four thousand times smaller than usual. But wewere thinking of making an enormous computer, which we were going to build by drilling holes on thislathe to make little washers for the computer. How many washers can you manufacture on this one lathe?

A hundred tiny hands

When I make my first set of slave ``hands'' at one-fourth scale, I am going to make ten sets. I make tensets of ``hands,'' and I wire them to my original levers so they each do exactly the same thing at thesame time in parallel. Now, when I am making my new devices one-quarter again as small, I let each onemanufacture ten copies, so that I would have a hundred ``hands'' at the 1/16th size.

Where am I going to put the million lathes that I am going to have? Why, there is nothing to it; thevolume is much less than that of even one full-scale lathe. For instance, if I made a billion little lathes,each 1/4000 of the scale of a regular lathe, there are plenty of materials and space available because in thebillion little ones there is less than 2 percent of the materials in one big lathe.

It doesn't cost anything for materials, you see. So I want to build a billion tiny factories, models of eachother, which are manufacturing simultaneously, drilling holes, stamping parts, and so on.

As we go down in size, there are a number of interesting problems that arise. All things do not simplyscale down in proportion. There is the problem that materials stick together by the molecular (Van derWaals) attractions. It would be like this: After you have made a part and you unscrew the nut from a bolt,it isn't going to fall down because the gravity isn't appreciable; it would even be hard to get it off thebolt. It would be like those old movies of a man with his hands full of molasses, trying to get rid of aglass of water. There will be several problems of this nature that we will have to be ready to design for.

Rearranging the atoms

But I am not afraid to consider the final question as to whether, ultimately---in the great future---we canarrange the atoms the way we want; the very atoms, all the way down! What would happen if we couldarrange the atoms one by one the way we want them (within reason, of course; you can't put them sothat they are chemically unstable, for example).

Up to now, we have been content to dig in the ground to find minerals. We heat them and we do thingson a large scale with them, and we hope to get a pure substance with just so much impurity, and so on.But we must always accept some atomic arrangement that nature gives us. We haven't got anything, say,with a ``checkerboard'' arrangement, with the impurity atoms exactly arranged 1,000 angstroms apart,or in some other particular pattern.

What could we do with layered structures with just the right layers? What would the properties ofmaterials be if we could really arrange the atoms the way we want them? They would be very interestingto investigate theoretically. I can't see exactly what would happen, but I can hardly doubt that when wehave some control of the arrangement of things on a small scale we will get an enormously greater rangeof possible properties that substances can have, and of different things that we can do.

Consider, for example, a piece of material in which we make little coils and condensers (or their solidstate analogs) 1,000 or 10,000 angstroms in a circuit, one right next to the other, over a large area, with



little antennas sticking out at the other end---a whole series of circuits. Is it possible, for example, to emitlight from a whole set of antennas, like we emit radio waves from an organized set of antennas to beamthe radio programs to Europe? The same thing would be to beam the light out in a definite direction withvery high intensity. (Perhaps such a beam is not very useful technically or economically.)

I have thought about some of the problems of building electric circuits on a small scale, and the problemof resistance is serious. If you build a corresponding circuit on a small scale, its natural frequency goesup, since the wave length goes down as the scale; but the skin depth only decreases with the square rootof the scale ratio, and so resistive problems are of increasing difficulty. Possibly we can beat resistancethrough the use of superconductivity if the frequency is not too high, or by other tricks.

Atoms in a small world

When we get to the very, very small world---say circuits of seven atoms---we have a lot of new thingsthat would happen that represent completely new opportunities for design. Atoms on a small scalebehave like nothing on a large scale, for they satisfy the laws of quantum mechanics. So, as we go downand fiddle around with the atoms down there, we are working with different laws, and we can expect todo different things. We can manufacture in different ways. We can use, not just circuits, but somesystem involving the quantized energy levels, or the interactions of quantized spins, etc.

Another thing we will notice is that, if we go down far enough, all of our devices can be mass producedso that they are absolutely perfect copies of one another. We cannot build two large machines so that thedimensions are exactly the same. But if your machine is only 100 atoms high, you only have to get itcorrect to one-half of one percent to make sure the other machine is exactly the same size---namely, 100atoms high!

At the atomic level, we have new kinds of forces and new kinds of possibilities, new kinds of effects.The problems of manufacture and reproduction of materials will be quite different. I am, as I said,inspired by the biological phenomena in which chemical forces are used in repetitious fashion to produceall kinds of weird effects (one of which is the author).

The principles of physics, as far as I can see, do not speak against the possibility of maneuvering thingsatom by atom. It is not an attempt to violate any laws; it is something, in principle, that can be done; butin practice, it has not been done because we are too big.

Ultimately, we can do chemical synthesis. A chemist comes to us and says, ``Look, I want a moleculethat has the atoms arranged thus and so; make me that molecule.'' The chemist does a mysterious thingwhen he wants to make a molecule. He sees that it has got that ring, so he mixes this and that, and heshakes it, and he fiddles around. And, at the end of a difficult process, he usually does succeed insynthesizing what he wants. By the time I get my devices working, so that we can do it by physics, hewill have figured out how to synthesize absolutely anything, so that this will really be useless.

But it is interesting that it would be, in principle, possible (I think) for a physicist to synthesize anychemical substance that the chemist writes down. Give the orders and the physicist synthesizes it. How?Put the atoms down where the chemist says, and so you make the substance. The problems of chemistryand biology can be greatly helped if our ability to see what we are doing, and to do things on an atomiclevel, is ultimately developed---a development which I think cannot be avoided.

Now, you might say, ``Who should do this and why should they do it?'' Well, I pointed out a few of theeconomic applications, but I know that the reason that you would do it might be just for fun. But havesome fun! Let's have a competition between laboratories. Let one laboratory make a tiny motor which itsends to another lab which sends it back with a thing that fits inside the shaft of the first motor.



High school competition

Just for the fun of it, and in order to get kids interested in this field, I would propose that someone whohas some contact with the high schools think of making some kind of high school competition. After all,we haven't even started in this field, and even the kids can write smaller than has ever been writtenbefore. They could have competition in high schools. The Los Angeles high school could send a pin tothe Venice high school on which it says, ``How's this?'' They get the pin back, and in the dot of the ``i' 'it says, ``Not so hot.''

Perhaps this doesn't excite you to do it, and only economics will do so. Then I want to do something;but I can't do it at the present moment, because I haven't prepared the ground. It is my intention to offera prize of $1,000 to the first guy who can take the information on the page of a book and put it on an area1/25,000 smaller in linear scale in such manner that it can be read by an electron microscope.

And I want to offer another prize---if I can figure out how to phrase it so that I don't get into a mess ofarguments about definitions---of another $1,000 to the first guy who makes an operating electric motor---a rotating electric motor which can be controlled from the outside and, not counting the lead-in wires, isonly 1/64 inch cube.

I do not expect that such prizes will have to wait very long for claimants.

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Introduction à la nanotechnologie moléculaire