Introduction à la nanotechnologie moléculaire.

Introduction à la nanotechnologie moléculaire.
21 mars 2006
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 découvert
que le mot existait dans le dictionnaire, avec un sens un peu différent du mien (il y est question de
l’application de la microélectronique à la fabrication de structures à l’échelle du nanomètre). En fait, ce
dont 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 ampleur
difficilement prévisible aujourd’hui, aussi bien dans les domaines techniques, qu’économiques et
sociaux.
Ils dépasseront en tout cas ceux engendrés par les révolutions industrielles mécaniques et informatiques
des 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 ans
pour la mise au point de la première percée technique majeure (du « breakthrough »). Il se peut, bien
sûr, 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 réalisation
de la bombe atomique. Nous nous situerions alors, sans doute, vers la fin des années 1930. C’est-à-dire
que la partie théorique est suffisamment développée pour être pratiquement certain de la faisabilité, par
contre, il reste de nombreux problèmes techniques complexes à résoudre. Et le chemin permettant d’y
arriver n’est pas connu précisément. Plusieurs voies de recherches sont en cours d’étude aujourd’hui. De
même, 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 recherches
encore très peu connues, voire que je fabule entièrement, mais j’espère avoir réussi à éveiller votre
curiosité !
Je vais maintenant vous expliquer ce que l’on entend par nanotechnologie moléculaire, faire un bref état
des 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 souhaitez
une précision ou un éclaircissement, n’hésitez pas à m’interrompre en cours de route !
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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 temps
préhistoriques! En effet, la fabrication d’un objet nécessite le plus souvent l’extraction de matières
premières 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, par
collage) avant d’obtenir l’objet désiré, qui peut être par exemple une voiture, un ordinateur, une feuille de
papier ou même un steak tartare.
Pendant tout ce processus de fabrication, une grande quantité d’énergie est utilisée, et une grande
quantité de déchets est généralement produite (malgré les progrès dans le recyclage).
Indépendamment, la tendance est au contrôle
de plus en plus fin de la matière fabriquée (on
grave aujourd’hui des sillons de largeur
inférieure au micromètre sur les puces
informatiques (100 fois plus fin qu’une feuille
de papier). Les capteurs mécaniques de chocs
pour les coussins à air dans les voitures sont
ainsi gravés directement sur les puces
informatiques (cf illustration ci-contre). Il
s’agit là de la nanotechnologie, telle qu’elle
était définie dans mon dictionnaire.
Les techniques les plus récentes permettent de
graver des lignes de 80 nanomètres! (1000 fois
plus fin qu’une feuille de papier!)
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)
Richard Feynman, le prix Nobel américain de physique, s’est demandé jusqu’où pouvait aller cette
miniaturisation et ce contrôle de la matière. Lors d’une conférence qu’il a donné en 1959, il a établit les
bases de ce qui allait devenir 20 ans plus tard la nanotechnologie moléculaire (voir le texte de la
conférence en annexe).
Il a alors suggéré que les lois physiques autorisaient la manipulation et le positionnement, direct et
contrôlé, des atomes et des molécules, individuellement, un par un. Qu’il était tout à fait possible
d’utiliser les atomes comme briques de construction, à la manière de briques de Lego (en tenant compte
des forces s’exerçant entre eux, évidemment).
Il s’agissait là d’une idée extrêmement originale. Après tout, l’existence des atomes n’avait été totalement
reconnue 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 faible
d’atomes différents (quelques dizaines). L’air est principalement composé d’atomes d’oxygène, d’azote
et de carbone. L’eau est composée d’atomes d’hydrogène et d’oxygène. Les êtres vivants sont
principalement composés d’atomes de carbone, d’hydrogène et d’oxygène.
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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, par
exemple, l’unique différence entre un diamant et un morceau de charbon, tous deux constitués
uniquement d’atomes de carbone.
Li
H
He
Be
B
C
N
O
F
Ne
Na Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
Zn Ga
Ge
As
Se
Br
Kr
Sn Sb
Te
I
Xe
Pb
Po
At
Rn
K
Ca Sc
Ti
Rb
Sr
Zr Nb Mo Tc
Ru Rh
Pd Ag Cd
Cs
Ba La
Hf Ta
Os
Pt
Fr
Ra Ac
Y
V
Cr Mn Fe
W
Re
Co
Ir
Ni
Cu
In
Au Hg Tl
Bi
Ce
Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb
Th
Pa
Lu
U
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 est
la 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 la
fabrication 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’épaisseur
de cette feuille de papier —je l’ai mesuré, elle fait environ un dixième de millimètre d’épaisseur—, il est
possible 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 un
cercle d’une superficie de 1000 atomes par point d’impression, il serait possible d’imprimer toutes les
pages 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 savait
manipuler les atomes individuellement, il serait possible d’enregistrer tout ce que l’humanité a écrit
jusqu’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 ce
contrôle précis et individuel des atomes.
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ETAT DE LA RECHERCHE ACTUELLE, VOIES EXPLOREES
Avant de vous donner quelques exemples des applications envisagées, si nous pouvions réellement
manipuler les atomes comme nous l’entendons, voyons un aperçu de la faisabilité, des réalisations déjà
effectuées 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 placer
où bon nous semble ?
N’y a-t-il pas de problème de principe insurmontable (comme le principe d’incertitude quantique, ou bien
l’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 cette
échelle, car les atomes du lubrifiant seraient à peu près de la taille de l’essieu! Un roulement à billes est
difficilement envisageable car la surface de la bille ne serait pas plane, mais constituée des bosses des
atomes, etc.) ?
Un autre problème pratique résulte de la taille, elle-même, des atomes. Si nous arrivions à manipuler les
atomes 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 13
milliards d’années ! [une feuille de métal, du format d’une feuille de papier A4 contient environ quatre
cent 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 permettant
d’arriver à cette technologie.
Sur le problème de la faisabilité, les scientifiques ayant étudié la question, dont Richard Feynman, ont
affirmé qu’il n’y avait pas d’impossibilité de principe. Jusqu’à aujourd’hui, personne n’a émis de
critique sérieuse contre cette idée, et plusieurs chercheurs ont fait des calculs de faisabilité, des
simulations sur ordinateur... qui restent bien sûr encore théoriques.
Eric Drexler, le premier chercheur après Feynman à avoir redécouvert et diffusé le concept de la
nanotechnologie, au début des années 80, a écrit un ouvrage analysant en détail les interactions
atomiques, 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 le
public à l’arrivée prochaine de cette technologie, et d’essayer de se préparer à ses conséquences, et à ses
dangers.
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 est
élevée, plus les atomes vibrent violemment. Nous pouvons donc craindre qu’un appareil fait de quelques
atomes liés entre eux, comme l’essieu évoqué plus haut, ne se casse, ou fonctionne mal, à la température
ambiante.
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 les
interactions entre les atomes, la stabilité de la structure, etc.
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Dessin d’un essieu réalisé avec des atomes de carbone, d’hydrogène et d’azote (source: Nanosystems).
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Par ailleurs, beaucoup de progrès pratiques ont été réalisés ces dernières années. Plusieurs types
d’appareils manipulant directement les atomes, de façon encore assez rudimentaire, sont apparus. Vous
avez peut-être vus cette photo ou l’on voit les lettres IBM écrites avec des atomes, ou bien celle, plus
récente, représentant un boulier?
35 atomes de Xénon sur Nickel
Réalisé 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)
Ces appareils, permettant de voir et de manipuler les atomes individuellement, sont appelés microscope à
effet tunnel, et microscope à force atomique (STM, AFM). Ils permettent non seulement de visualiser les
atomes 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 à
celui des anciens tourne-disques, ou une pointe est posée sur le sillon
du disque!
Dans ces microscopes, la pointe est normalement terminée par un
unique atome, en relation avec la surface à observer. L’appareil déplace
la pointe, en la maintenant à une altitude constante au dessus de
l’échantillon observé. En déplaçant la pointe le long de lignes
horizontales successives, il est possible de déduire la topographie de la
surface.
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De nombreux problèmes pratiques se posent, bien sûr. L’appareil doit être isolé de toute vibration, la
pointe de mesure est elle-même constituée d’atomes et interagit parfois différemment selon les types
d’atomes observés, elle peut interagir avec plusieurs atomes à la fois, etc., ce qui rend les résultats
parfois difficiles à interpréter. De plus, les manipulations se font souvent à très basse température pour
éviter les vibrations thermiques déjà évoquées, et dans une atmosphère raréfiée afin d’éviter que les
atomes de l’air ambiant ne viennent percuter en permanence l’échantillon observé, etc.!
Fonctionnement comparé d’un microscope à effet tunnel et à force atomique
(source: Unbounding the Future)
Pour l’instant tout cela tient encore beaucoup du bricolage et du tâtonnement, mais les modèles
théoriques s’affinent, et les outils sont mieux maîtrisés chaque jour (par exemple, les lettres IBM avait été
réalisées 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 en
annexe).
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Enfin, pour finir avec le problème de faisabilité de la nanotechnologie, on peut aussi remarquer que nous
sommes la preuve que la nanotechnologie est possible!
En effet, les êtres vivants sont constitués de véritables
machines moléculaires (ADN, ARN, ribosomes, etc.), qui
fonctionnent à l’échelle atomique, et agencent de façon
extrêmement précise les atomes et les molécules qui
constituent les êtres vivants.
Avec finalement beaucoup de succès!
Brin d’ADN (environ 2,3 nm de large)
(source : Nanotechnology - BC Crandall)
Assemblage d’une protéine par un ribosome (source : Nanotechnology - BC Crandall)
Par ailleurs, l’évolution naturelle a également résolu le problème de création d’êtres de notre taille, atome
par atome, dans un délai assez raisonnable! Et ceci, par un moyen qu’il serait facile de reproduire dans
nos nanomachines : la croissance géométrique.
Lorsque la première cellule du futur embryon est créée, elle se dédouble, puis les deux cellules se
dédoublent 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 se
fabriquer atome par atome, si nous la fabriquions de cette façon : une nanomachine se dédoublant, puis
les deux obtenues se dédoublant à leur tour, encore et encore, il suffirait de moins de deux minutes pour
créer la feuille entière!
Un des points fondamentaux de la maîtrise de la nanotechnologie est donc la création
d’une machine de taille moléculaire, capable de se dupliquer elle-même.
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Afin de pouvoir fabriquer autre chose que des copies d’elle-même, il est, bien sûr, indispensable qu’elle
puisse également fabriquer d’autres structures!
Les programmes de recherches ont tous pour but de fabriquer une première version de cette nanomachine
appelée : 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 peu
d’exemplaires, il sera possible d’en fabriquer d’autres plus évoluées, et de réaliser les premières
nanomachines...
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 jours
qui viennent !
Tout d’abord, aucun assembleur n’a encore été conçu dans tous ses détails. Plusieurs éléments de
nanomachines ont été proposés, certains pour la partie « active » de l’outil manipulant les atomes
servant à la fabrication, certains pour le déplacement du bras manipulateur, etc. De nombreux problèmes
d’ingénierie restent encore à résoudre!
Bras manipulateur d’un futur « assembleur » (source : Nanosystems)
Cet élément serait constitué d’environ 4 millions d’atomes.
Le moyen de commande du premier assembleur n’est de même que très schématiquement proposé. (Les
générations futures d’assembleurs pourront avoir leur propre « nano-ordinateur » embarqué permettant
leur commande, mais les assembleurs des premières générations devront, d’une façon ou d’une autre,
être télécommandés.)
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Les mécanismes de fourniture des atomes et molécules servant de matériaux de construction à
l’assembleur, nécessitent également encore des études...
D’autre part, les microscopes d’aujourd’hui peuvent manipuler quelques atomes, mais il est difficilement
envisageable de les utiliser pour fabriquer directement une machine contenant plusieurs millions
d’atomes...
L’auto-assemblage par ingénierie génétique permet d’utiliser les outils modernes de manipulation de
morceaux d’ADN. Plusieurs laboratoires ont ainsi réussi à fabriquer des structures en créant et en liant
plusieurs brins d’ADN entre eux, et il est peut-être possible de créer un premier assembleur constitué de
morceaux d’ADN. Toutefois la façon de le réaliser m’apparaît, à la lecture des travaux en cours, encore
plus floue...
Un axe de recherche lié au domaine est celui des fullerènes. Vous connaissez peut-être ces molécules de
carbone nouvellement découvertes (et qui ont valu le prix Nobel à Richard Smalley, un des principaux
promoteur de la nanotechnologie moléculaire)? Les applications de ces molécules sont nombreuses, y
compris dans l’amélioration des outils de manipulation des atomes. Les chercheurs essaient pour l’instant
de 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, et
s’attaquer, dès aujourd’hui, aux problèmes d’ingénierie à résoudre une fois les premiers assembleurs
disponibles.
Divers essieux (Source : Site Web Foresight)
Ces quelques exemples disparates des recherches en cours sont un faible échantillon de l’activité intense
et brouillonne qui existe actuellement dans le domaine. De nombreux documents sont disponibles sur
Internet (une liste d’adresses est jointe en annexe).
Il s’est par exemple formé une équipe de recherche internationale, sur Internet, concernant tous les
aspects du développement d’un nano-ordinateur (conception matérielle et logicielle, techniques de
communication, fiabilité, applications, etc.).
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APPLICATIONS
Nous pouvons maintenant passer à la partie la plus amusante de ma présentation : supposons les
premiers assembleurs créés, et imaginons quelques applications possibles (tous ces exemples sont tirés
de livres ou d’articles cités en référence).
Fabrication
La nanotechnologie permet une amélioration de la qualité de fabrication sans précédent. Les atomes étant
placés de façon précise, les problèmes liés aux impuretés et aux défauts dans les matériaux disparaissent
presque entièrement. Il est ainsi possible de fabriquer des matériaux plus solides, utilisant beaucoup
moins de matière.
Le coût de fabrication des objets serait extraordinairement réduit, car la fabrication consommerait
beaucoup moins d’énergie et de matière première qu’à présent. De plus, la production étant entièrement
automatique, 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 de
conception (ce qui est le cas aujourd’hui dans l’industrie des logiciels pour ordinateur). En effet, la
matière première peut être entièrement recyclée, et l’énergie peut provenir de capteurs solaires. (Ce qui
limite aujourd’hui la possibilité d’utiliser les capteurs solaires à plus grande échelle est leur coût de
fabrication et leur rendement, deux problèmes que la nanotechnologie devrait être en mesure de résoudre
sans 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’objet
désiré. Puis, une fois la structure créée, ils assemblent l’objet choisi, atome par atome. La paire de
chaussure est prête en deux minutes !
Construction
De la même façon, les techniques de constructions pourraient être bouleversées. Il est possible
d’imaginer des immeubles se créant pour ainsi dire eux-mêmes, des routes ou des tunnels se creusant de
la même façon.
Nourriture
De même qu’il serait possible de fabriquer une montre ou une paire de chaussure, il est possible de
recréer de la nourriture directement à partir de l’air et de quelques déchets. C’est ce que fait la chaîne
alimentaire, et il est certainement possible d’arriver directement à un steak frites avec salade, sans passer
par la croissance de laitue, de pommes de terre, l’élevage d’animaux, puis leur traitement avant que le
plat final n’arrive dans notre assiette!
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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 corps
humain, voire dans les cellules du corps humain, à la recherche d’agents infectieux, de cellules
cancéreuses, par exemple pour les marquer pour destruction par le système immunitaire, ou même pour
les 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 fait
la médecine chirurgicale actuelle, il serait possible, par exemple, d’aider plus activement à la
reconstruction, voir de recréer directement les tissus ou les organes atteints.
- augmentation des capacités du cerveau (par exemple par interfaçage direct avec des nanoordinateurs 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, dans
un état de jeunesse préservé.
Informatique
Il sera possible de fabriquer des ordinateurs minuscules, par exemple pour contrôler les nano-robots se
baladant dans le corps humain. Les projets actuels laissent entrevoir des ordinateurs plus puissants que
les 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 serait
extraordinairement réduit.
Il est difficile d’imaginer aujourd’hui les conséquences que pourraient avoir l’inclusion d’ordinateurs et
de 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, avec
sonorisation. 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 des
micros, permettant d’enregistrer tout ce que vous voyez. Elle serait commandable par la voix, ou par
détection des mouvements oculaires, voire manuels (par détection des mains, et visualisation de
différents artefacts visuels de commande). Ces lunettes pourraient contenir votre agenda, reconnaître les
personnes dont le nom vous échappe... Pour vous donner un faible aperçu des possibilités qu’auraient
cet outil!
Écologie
La nanotechnologie permettra non seulement le recyclage complet des déchets lors de la fabrication, mais
le nettoyage des déchets accumulés jusqu’à aujourd’hui. Il serait ainsi possible de « nettoyer la
planète », de diminuer, si besoin est, la quantité de CO2 dans l’atmosphère, etc.
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Espace
La NASA est très active dans le domaine de la nanotechnologie, car elle voit là le moyen le plus sûr et le
plus économique d’explorer et de coloniser l’espace.
La nanotechnologie permettra non seulement la fabrication de fusées, de stations orbitales, etc., plus
solides, plus fiable et à un coût réduit, mais également de « terraformer » d’autres planètes! Il existe des
scénarios 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 partant
de l’équateur, et tournant avec la terre en orbite géostationnaire. Une fois ce câble en place, l’énergie à
dépenser 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 coût
acceptable pour une telle application.
Armement
Un des dangers les plus importants de la nanotechnologie est évidemment la possibilité de l’utiliser à des
fins guerrières, criminelles ou terroristes.
Indépendamment de l’amélioration de la fabrication d’armes conventionnelles, il sera par exemple
possible de fabriquer par millions de minuscules robots volants, difficilement détectables, permettant
d’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 que
les virus naturels. Leur cible pourrait être une personne précise, un groupe de population (définit par sa
position géographique, quelques caractéristiques génétiques, etc.).
Des fanatiques pourraient fabriquer une nanomachine se reproduisant indéfiniment, sans contrainte, et
transformant absolument tout en plus de copies d’elle-même, visant ainsi à la destruction complète de
toute 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 contexte
de compétition internationale, cela paraissant totalement illusoire, il reste le choix de se préparer à
l’arrivée de cette technologie et des problèmes qu’elle engendrera.
Enfin, je finirais les applications envisageables avec un échantillon de quelques idées plus futuristes
encore :
Peinture : écran, affichage variable, etc.
Imaginons un vaporisateur de peinture. Mais au lieu de peinture, il vaporise des nanomachines, qui vont
se coller à la surface sur laquelle on l’applique. Cette surface peut être de la taille d’un timbre-poste, d’un
immeuble, 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, afficher
n’importe qu’elle image, fixe ou animée. Vous souhaitez changer de papier peint? Il suffit d’une
commande 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 synchronisation
de phase de la lumière émise par une source), permet de créer des images en trois dimensions. Il est ainsi
possible d’imaginer une salle couverte de cette peinture, et permettant de représenter un spectacle animé
en trois dimensions!
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Devant un mur couvert de cette technologie, il serait impossible de distinguer une scène réelle d’une
fausse! 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 texte
d’origine. Vous souhaitez rechercher un passage dans le texte? Une image? Demandez à haute voix au
livre de vous la retrouver!
Vous voulez abandonner momentanément sa lecture pour en lire un autre, demandez au livre le titre
choisi, 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 quelques
heures? 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 se
modifie!
‘Utility Fog’
Une utilisation de la nanotechnologie encore plus étrange a été imaginée et étudiée par Storrs Hall. Il l’a
appelé “Utility Fog” : « Le brouillard-outil ».
Imaginez un robot microscopique, environ de la taille d’une bactérie, avec une douzaine de bras
télescopiques. Maintenant, vous remplissez l’air d’une pièce de tels robots, ils s’attachent
automatiquement les uns aux autres par leurs bras télescopiques, et se maintiennent éloignés les uns des
autres. 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 automatiquement
après votre passage.
Vous êtes assis, vous souhaitez un verre d’une boisson dans le réfrigérateur. Donnez la commande : la
porte du réfrigérateur s’ouvre toute seule, la boisson est placée dans un verre qui semble flotter dans les
airs, puis il vient se placer dans votre main!
Le « brouillard » a exercé les forces correspondantes sur la porte du réfrigérateur, le verre, etc. De la
même façon, vous pourriez voler jusqu’au deuxième étage!
Maintenant, le brouillard peut se rendre visible si besoin est. Vous avez besoin momentanément d’une
chaise supplémentaire? Elle se matérialise sous vos yeux!
Vous souhaitez discuter immédiatement avec un ami situé à 100 km de chez vous? Après avoir reçu son
accord, 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 tous
les deux comme si vous étiez dans la même pièce!
Les applications du brouillard-outil sont innombrables, en tout cas trop nombreuses pour être évoquées
pendant cette courte présentation!
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Introduction à la nanotechnologie moléculaire.
21 mars 2006
Intelligence artificielle
La possibilité de puissance de calcul sans précédent, voire de reproduction de réseaux de neurones de
tailles comparables à ceux du cerveau humain, laisse entrevoir la possibilité de créer des « intelligences
artificielles ».
On ne peut dire si les machines ainsi créées seront simplement des ordinateurs prenant mieux en compte
leur environnement, des outils d’aides à l’analyse humaine, ou si elles dépasseront en rapidité, en
puissance, 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 moins
inévitable, de l’homme et des machines, intégrant ces possibilités. Cette évolution, qui a commencé avec
les outils, puis la mécanisation, et enfin avec l’informatique, se poursuivrait avec les appareils que j’ai
évoqué, pour finir par être intégrés à l’intérieur du corps humain, augmentant nos capacités physiques et
intellectuelles.
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 la
lune...
J’aime beaucoup cette réflexion d’Arthur C Clarke, qui s’applique parfaitement ici : «Toute technologie
suffisamment 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 de
recherche très actif aujourd’hui. Les financements pour les recherches dans le domaine de la
nanotechnologie augmentent régulièrement, et les programmes de recherche décrivent de façon de plus en
plus 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, ainsi
que, 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 impossible
à 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 citant
explicitement la nanotechnologie moléculaire.
Depuis Avril 1998 (date de la première version de cette présentation), la nanotechnologie est identifiée
comme secteur technologique de première importance dans le monde. Ainsi, le Japon et les États-Unis
ont-ils lancé des programmes de financement de recherche citant explicitement la nanotechnologie
moléculaire.
Des programmes européens ont également été lancés. La nanotechnologie a été citée dans le communiqué
de presse du Premier Ministre de Juin 1999 et dans différentes publications officielles françaises et
européennes (chercher "Nanotechnologies" sur le site de l'Assemblée nationale, ou sur le site de l'Union
Européenne).
Pour l'instant, la pluspart de ces initiatives concernent des applications à court terme de la
nanotechnologie (principalement de nouveaux matériaux), mais sont restent encore peu sensibilisés aux
enjeux de la nanotechnologie moléculaire.
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Introduction à la nanotechnologie moléculaire.
21 mars 2006
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
Box 61058, Palo Alto, CA 94306, USA
Tel : (+1) 650 917 1122. Email : [email protected]
Club Nanotechnologie
5, Parc du Bellay 91540 Echarcon
Tel : 01 64 57 27 17 Email : [email protected]
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 articles
ou les livres y faisant référence sont de plus en plus nombreux. Un petit échantillon est donné cidessous:
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 Attali
Nanotechnologies 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 nanotechnologie
RDT info (Commission européenne), n°21, Février 1999, Nanotechnologie: L'ère de l'infiniment
petit.
SVM, Octobre 1999, Les nanotechnologies inventent le diamant
SVM Mac, Novembre 1999, Copier des objets (p32)
Eureka, Novembre 1999, Expériences du Nanomonde
Le Quotidien du Medecin, 15 Novembre 1999, p.35
Le Quotidien du Medecin, 11 mai 2000, p.28
Libération, Nanotechnologies, 2-3 Décembre 2000
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Introduction à la nanotechnologie moléculaire.
21 mars 2006
En Anglais
De nombreux ouvrages sont consacrés à la nanotechnologie moléculaire, ainsi que de nombreux articles
scientifiques ou de vulgarisation. Les livres principaux sont :
Engines of creation - The coming era of nanotechnology.
K. Eric Drexler - Oxford University Press - 1990
Disponible en intégralité sur Internet (http://www.foresight.org/EOC/index.html)
Unbounding the future - The nanotechnology revolution.
K. Eric Drexler - Quill - 1991
Disponible 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 Capabilities
Robert A Freitas - Landes Biosciences - 1999
Disponible en intégralité sur Internet: (www.nanomedicine.com)
Nanotechnology : Research and perspectives
BC 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 Nanotechnology
David Darling - Dillon Pr - 1995
Becoming immortal : Nanotechnology, You, and the Demise of Death
Wesley 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, 1997
Disponible 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 USA
Via internet : http://nanozine.com
De nombreux articles sont disponibles sur Internet (voir sous la rubriques Sites Web).
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Introduction à la nanotechnologie moléculaire.
21 mars 2006
Sites Web
Pour chercher les sites les plus actifs sur Internet, utiliser un moteur de recherche en précisant les mots
clés suivants:
Nanotechnologies
Nanosciences
“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’Union
Européenne:
http://www.assemblee-nationale.fr
http://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.pdf
http://www.genopole.org/media/pdf/fr/communication/040506-nanosciences.pdf
http://perso.wanadoo.fr/nanotechnologie/
http://www.u-bourgogne.fr/LPUB/opsub/optique.htm
http://www.rmnt.org/
http://europa.eu.int/comm/dg12/rtdinf21/ftoc.html
http://www.cnrs.fr/
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http://www.imp.cnrs.fr/utilisateurs/guillard/page2.html
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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 annual
meeting of the American Physical Society at the California Institute of Technology (Caltech) was first
published 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 kind
permission.
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, who
discovered a field like low temperature, which seems to be bottomless and in which one can go down
and 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 was
able to move into it and to lead us all along. The development of ever higher vacuum was a continuing
development of the same kind.
I would like to describe a field, in which little has been done, but in which an enormous amount can be
done in principle. This field is not quite the same as the others in that it will not tell us much of
fundamental physics (in the sense of, ``What are the strange particles?'') but it is more like solid-state
physics in the sense that it might tell us much of great interest about the strange phenomena that occur in
complex situations. Furthermore, a point that is most important is that it would have an enormous
number 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 device
on the market, they tell me, by which you can write the Lord's Prayer on the head of a pin. But that's
nothing; that's the most primitive, halting step in the direction I intend to discuss. It is a staggeringly
small world that is below. In the year 2000, when they look back at this age, they will wonder why it
was 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 it
by 25,000 diameters, the area of the head of the pin is then equal to the area of all the pages of the
Encyclopaedia Britannica. Therefore, all it is necessary to do is to reduce in size all the writing in the
Encyclopaedia by 25,000 times. Is that possible? The resolving power of the eye is about 1/120 of an
inch---that is roughly the diameter of one of the little dots on the fine half-tone reproductions in the
Encyclopaedia. This, when you demagnify it by 25,000 times, is still 80 angstroms in diameter---32
atoms across, in an ordinary metal. In other words, one of those dots still would contain in its area 1,000
atoms. So, each dot can easily be adjusted in size as required by the photoengraving, and there is no
question that there is enough room on the head of a pin to put all of the Encyclopaedia Britannica.
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Furthermore, it can be read if it is so written. Let's imagine that it is written in raised letters of metal; that
is, where the black is in the Encyclopedia, we have raised letters of metal that are actually 1/25,000 of
their 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 point
conservatively I shall just take techniques we know today.) We would press the metal into a plastic
material and make a mold of it, then peel the plastic off very carefully, evaporate silica into the plastic to
get a very thin film, then shadow it by evaporating gold at an angle against the silica so that all the little
letters will appear clearly, dissolve the plastic away from the silica film, and then look through it with an
electron microscope!
There is no question that if the thing were reduced by 25,000 times in the form of raised letters on the
pin, it would be easy for us to read it today. Furthermore; there is no question that we would find it easy
to make copies of the master; we would just need to press the same metal plate again into plastic and we
would 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 me
argue that it is not as difficult as it first appears to be. We can reverse the lenses of the electron
microscope in order to demagnify as well as magnify. A source of ions, sent through the microscope
lenses in reverse, could be focused to a very small spot. We could write with that spot like we write in a
TV cathode ray oscilloscope, by going across in lines, and having an adjustment which determines the
amount 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 the
letters. Then we would strike an arc behind the holes and draw metallic ions through the holes; then we
could again use our system of lenses and make a small image in the form of ions, which would deposit
the metal on the pin.
A simpler way might be this (though I am not sure it would work): We take light and, through an optical
microscope running backwards, we focus it onto a very small photoelectric screen. Then electrons come
away from the screen where the light is shining. These electrons are focused down in size by the electron
microscope lenses to impinge directly upon the surface of the metal. Will such a beam etch away the
metal if it is run long enough? I don't know. If it doesn't work for a metal surface, it must be possible to
find some surface with which to coat the original pin so that, where the electrons bombard, a change is
made which we could recognize later.
There is no intensity problem in these devices---not what you are used to in magnification, where you
have to take a few electrons and spread them over a bigger and bigger screen; it is just the opposite. The
light which we get from a page is concentrated onto a very small area so it is very intense. The few
electrons 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 million
volumes; there are also 5 million volumes in the National Library in France. Undoubtedly there are
duplications, 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 space
would it take? It would take, of course, the area of about a million pinheads because, instead of there
being just the 24 volumes of the Encyclopaedia, there are 24 million volumes. The million pinheads can
be put in a square of a thousand pins on a side, or an area of about 3 square yards. That is to say, the
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silica replica with the paper-thin backing of plastic, with which we have made the copies, with all this
information, is on an area of approximately the size of 35 pages of the Encyclopaedia. That is about half
as many pages as there are in this magazine. All of the information which all of mankind has every
recorded in books can be carried around in a pamphlet in your hand---and not written in code, but a
simple reproduction of the original pictures, engravings, and everything else on a small scale without
loss of resolution.
What would our librarian at Caltech say, as she runs all over from one building to another, if I tell her
that, ten years from now, all of the information that she is struggling to keep track of--- 120,000
volumes, stacked from the floor to the ceiling, drawers full of cards, storage rooms full of the older
books---can be kept on just one library card! When the University of Brazil, for example, finds that their
library is burned, we can send them a copy of every book in our library by striking off a copy from the
master plate in a few hours and mailing it in an envelope no bigger or heavier than any other ordinary air
mail letter.
Now, the name of this talk is “There is Plenty of Room at the Bottom”---not just “There is Room at the
Bottom.” What I have demonstrated is that there is room---that you can decrease the size of things in a
practical way. I now want to show that there is plenty of room. I will not now discuss how we are going
to do it, but only what is possible in principle---in other words, what is possible according to the laws of
physics. I am not inventing anti-gravity, which is possible someday only if the laws are not what we
think. I am telling you what could be done if the laws are what we think; we are not doing it simply
because 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 present
form, we write only the information content in a code of dots and dashes, or something like that, to
represent the various letters. Each letter represents six or seven “bits” of information; that is, you need
only about six or seven dots or dashes for each letter. Now, instead of writing everything, as I did
before, 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 atoms
5 times 5 times 5---that is 125 atoms. Perhaps we need a hundred and some odd atoms to make sure that
the 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 24
million books is as big as an Encyclopaedia volume, and have calculated, then, how many bits of
information there are (10^15). For each bit I allow 100 atoms. And it turns out that all of the information
that man has carefully accumulated in all the books in the world can be written in this form in a cube of
material one two-hundredth of an inch wide--- which is the barest piece of dust that can be made out by
the 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, of
course, well known to the biologists, and resolves the mystery which existed before we understood all
this clearly, of how it could be that, in the tiniest cell, all of the information for the organization of a
complex 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 the
side so that later a nerve can grow through it---all this information is contained in a very tiny fraction of
the cell in the form of long-chain DNA molecules in which approximately 50 atoms are used for one bit
of information about the cell.
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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 it
today? The electron microscope is not quite good enough, with the greatest care and effort, it can only
resolve about 10 angstroms. I would like to try and impress upon you while I am talking about all of
these things on a small scale, the importance of improving the electron microscope by a hundred times. It
is not impossible; it is not against the laws of diffraction of the electron. The wave length of the electron
in 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 field
where they are making more rapid progress than they are in biology today.) “You should use more
mathematics, like we do.” They could answer us---but they're polite, so I'll answer for them: “What you
should do in order for us to make more rapid progress is to make the electron microscope 100 times
better.”
What are the most central and fundamental problems of biology today? They are questions like: What is
the sequence of bases in the DNA? What happens when you have a mutation? How is the base order in
the DNA connected to the order of amino acids in the protein? What is the structure of the RNA; is it
single-chain or double-chain, and how is it related in its order of bases to the DNA? What is the
organization of the microsomes? How are proteins synthesized? Where does the RNA go? How does it
sit? Where do the proteins sit? Where do the amino acids go in? In photosynthesis, where is the
chlorophyll; how is it arranged; where are the carotenoids involved in this thing? What is the system of
the conversion of light into chemical energy?
It is very easy to answer many of these fundamental biological questions; you just look at the thing! You
will see the order of bases in the chain; you will see the structure of the microsome. Unfortunately, the
present microscope sees at a scale which is just a bit too crude. Make the microscope one hundred times
more powerful, and many problems of biology would be made very much easier. I exaggerate, of
course, but the biologists would surely be very thankful to you---and they would prefer that to the
criticism that they should use more mathematics.
The theory of chemical processes today is based on theoretical physics. In this sense, physics supplies
the foundation of chemistry. But chemistry also has analysis. If you have a strange substance and you
want to know what it is, you go through a long and complicated process of chemical analysis. You can
analyze almost anything today, so I am a little late with my idea. But if the physicists wanted to, they
could also dig under the chemists in the problem of chemical analysis. It would be very easy to make an
analysis of any complicated chemical substance; all one would have to do would be to look at it and see
where 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 of
chemistry---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; you
don't have a big enough numerical aperture. And I know that there are theorems which prove that it is
impossible, with axially symmetrical stationary field lenses, to produce an f-value any bigger than so and
so; and therefore the resolving power at the present time is at its theoretical maximum. But in every
theorem there are assumptions. Why must the field be symmetrical? I put this out as a challenge: Is there
no 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 that
should be possible. Biology is not simply writing information; it is doing something about it. A
biological system can be exceedingly small. Many of the cells are very tiny, but they are very active; they
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manufacture various substances; they walk around; they wiggle; and they do all kinds of marvelous
things---all on a very small scale. Also, they store information. Consider the possibility that we too can
make a thing very small which does what we want---that we can manufacture an object that maneuvers at
that level!
There may even be an economic point to this business of making things very small. Let me remind you
of some of the problems of computing machines. In computers we have to store an enormous amount of
information. The kind of writing that I was mentioning before, in which I had everything down as a
distribution 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 we
have just written. Yet if we could write it in a very small space, it wouldn't make any difference; it could
just 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 machines
are very large; they fill rooms. Why can't we make them very small, make them of little wires, little
elements---and by little, I mean little. For instance, the wires should be 10 or 100 atoms in diameter, and
the circuits should be a few thousand angstroms across. Everybody who has analyzed the logical theory
of computers has come to the conclusion that the possibilities of computers are very interesting---if they
could be made to be more complicated by several orders of magnitude. If they had millions of times as
many elements, they could make judgments. They would have time to calculate what is the best way to
make the calculation that they are about to make. They could select the method of analysis which, from
their experience, is better than the one that we would give to them. And in many other ways, they would
have new qualitative features.
If I look at your face I immediately recognize that I have seen it before. (Actually, my friends will say I
have chosen an unfortunate example here for the subject of this illustration. At least I recognize that it is a
man and not an apple.) Yet there is no machine which, with that speed, can take a picture of a face and
say even that it is a man; and much less that it is the same man that you showed it before---unless it is
exactly the same picture. If the face is changed; if I am closer to the face; if I am further from the face; if
the light changes---I recognize it anyway. Now, this little computer I carry in my head is easily able to do
that. The computers that we build are not able to do that. The number of elements in this bone box of
mine are enormously greater than the number of elements in our ``wonderful'' computers. But our
mechanical computers are too big; the elements in this box are microscopic. I want to make some that are
submicroscopic.
If we wanted to make a computer that had all these marvelous extra qualitative abilities, we would have
to make it, perhaps, the size of the Pentagon. This has several disadvantages. First, it requires too much
material; there may not be enough germanium in the world for all the transistors which would have to be
put into this enormous thing. There is also the problem of heat generation and power consumption; TVA
would be needed to run the computer. But an even more practical difficulty is that the computer would be
limited to a certain speed. Because of its large size, there is finite time required to get the information
from 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 them
smaller and smaller.
But there is plenty of room to make them smaller. There is nothing that I can see in the physical laws that
says the computer elements cannot be made enormously smaller than they are now. In fact, there may be
certain advantages.
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Miniaturization by evaporation
How can we make such a device? What kind of manufacturing processes would we use? One possibility
we 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 you
have a block of stuff which has the elements--- coils and condensers, transistors and so on---of
exceedingly fine dimensions.
But I would like to discuss, just for amusement, that there are other possibilities. Why can't we
manufacture these small computers somewhat like we manufacture the big ones? Why can't we drill
holes, 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 many
times when you are working on something frustratingly tiny like your wife's wrist watch, have you said
to yourself, ``If I could only train an ant to do this!'' What I would like to suggest is the possibility of
training an ant to train a mite to do this. What are the possibilities of small but movable machines? They
may 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 an
infinitesimal machine like it. Suppose, in the particular design of the automobile, we need a certain
precision of the parts; we need an accuracy, let's suppose, of 4/10,000 of an inch. If things are more
inaccurate than that in the shape of the cylinder and so on, it isn't going to work very well. If I make the
thing 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 an
error 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 with
a 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 to
the same degree, the forces go as the area you are reducing, so that things like weight and inertia are of
relatively 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 same
proportion only if the rotational speed is increased in the same proportion as we decrease the size. On the
other hand, the metals that we use have a grain structure, and this would be very annoying at small scale
because the material is not homogeneous. Plastics and glass and things of this amorphous nature are very
much 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 the
magnetic parts. The magnetic properties on a very small scale are not the same as on a large scale; there is
the ``domain'' problem involved. A big magnet made of millions of domains can only be made on a
small scale with one domain. The electrical equipment won't simply be scaled down; it has to be
redesigned. 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 in
proportion as we went down (and if we increase the speed as much as we can). If we don't increase the
speed so much, and change from oil to kerosene or some other fluid, the problem is not so bad. But
actually we may not have to lubricate at all! We have a lot of extra force. Let the bearings run dry; they
won'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 is
impossible. Other chemical reactions, liberating energy when cold, can be used. Probably an external
supply of electrical power would be most convenient for such small machines.
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What would be the utility of such machines? Who knows? Of course, a small automobile would only be
useful 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 automatic
factories, containing lathes and other machine tools at the very small level. The small lathe would not
have to be exactly like our big lathe. I leave to your imagination the improvement of the design to take
full advantage of the properties of things on a small scale, and in such a way that the fully automatic
aspect 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 the
surgeon. 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 takes
a little knife and slices it out. Other small machines might be permanently incorporated in the body to
assist 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 have
materials and machines that they can't handle directly because they have become radioactive. To unscrew
nuts and put on bolts and so on, they have a set of master and slave hands, so that by operating a set of
levers here, you control the ``hands'' there, and can turn them this way and that so you can handle things
quite nicely.
Most of these devices are actually made rather simply, in that there is a particular cable, like a marionette
string, that goes directly from the controls to the ``hands.'' But, of course, things also have been made
using servo motors, so that the connection between the one thing and the other is electrical rather than
mechanical. When you turn the levers, they turn a servo motor, and it changes the electrical currents in
the 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 I
want the slaves to be made especially carefully by modern large-scale machinists so that they are onefourth the scale of the ``hands'' that you ordinarily maneuver. So you have a scheme by which you can
do things at one- quarter scale anyway---the little servo motors with little hands play with little nuts and
bolts; they drill little holes; they are four times smaller. Aha! So I manufacture a quarter-size lathe; I
manufacture quarter-size tools; and I make, at the one-quarter scale, still another set of hands again
relatively one-quarter size! This is one-sixteenth size, from my point of view. And after I finish doing
this I wire directly from my large-scale system, through transformers perhaps, to the one-sixteenth-size
servo 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. You
might say that one can go much farther in one step than from one to four. Of course, this has all to be
designed very carefully and it is not necessary simply to make it like hands. If you thought of it very
carefully, 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 one
step. But you can't work directly through a pantograph which makes a smaller pantograph which then
makes 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 which
you move your hands. In going down this scale, I would find the end of the pantograph on the end of
the pantograph on the end of the pantograph shaking so badly that it wasn't doing anything sensible at
all.
At each stage, it is necessary to improve the precision of the apparatus. If, for instance, having made a
small 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 forth
until this lead screw is, at its scale, as accurate as our original lead screws, at our scale.
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We can make flats by rubbing unflat surfaces in triplicates together---in three pairs---and the flats then
become flatter than the thing you started with. Thus, it is not impossible to improve precision on a small
scale by the correct operations. So, when we build this stuff, it is necessary at each step to improve the
accuracy of the equipment by working for awhile down there, making accurate lead screws, Johansen
blocks, and all the other materials which we use in accurate machine work at the higher level. We have to
stop at each level and manufacture all the stuff to go to the next level---a very long and very difficult
program. 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 we
were thinking of making an enormous computer, which we were going to build by drilling holes on this
lathe 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 ten
sets of ``hands,'' and I wire them to my original levers so they each do exactly the same thing at the
same time in parallel. Now, when I am making my new devices one-quarter again as small, I let each one
manufacture 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; the
volume 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 the
billion 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 each
other, 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 simply
scale down in proportion. There is the problem that materials stick together by the molecular (Van der
Waals) 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 the
bolt. It would be like those old movies of a man with his hands full of molasses, trying to get rid of a
glass 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 can
arrange the atoms the way we want; the very atoms, all the way down! What would happen if we could
arrange the atoms one by one the way we want them (within reason, of course; you can't put them so
that 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 things
on 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 of
materials be if we could really arrange the atoms the way we want them? They would be very interesting
to investigate theoretically. I can't see exactly what would happen, but I can hardly doubt that when we
have some control of the arrangement of things on a small scale we will get an enormously greater range
of 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 solid
state analogs) 1,000 or 10,000 angstroms in a circuit, one right next to the other, over a large area, with
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little antennas sticking out at the other end---a whole series of circuits. Is it possible, for example, to emit
light from a whole set of antennas, like we emit radio waves from an organized set of antennas to beam
the radio programs to Europe? The same thing would be to beam the light out in a definite direction with
very 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 problem
of resistance is serious. If you build a corresponding circuit on a small scale, its natural frequency goes
up, since the wave length goes down as the scale; but the skin depth only decreases with the square root
of the scale ratio, and so resistive problems are of increasing difficulty. Possibly we can beat resistance
through 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 things
that would happen that represent completely new opportunities for design. Atoms on a small scale
behave like nothing on a large scale, for they satisfy the laws of quantum mechanics. So, as we go down
and fiddle around with the atoms down there, we are working with different laws, and we can expect to
do different things. We can manufacture in different ways. We can use, not just circuits, but some
system 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 produced
so that they are absolutely perfect copies of one another. We cannot build two large machines so that the
dimensions are exactly the same. But if your machine is only 100 atoms high, you only have to get it
correct to one-half of one percent to make sure the other machine is exactly the same size---namely, 100
atoms 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 produce
all 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 things
atom by atom. It is not an attempt to violate any laws; it is something, in principle, that can be done; but
in 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 molecule
that has the atoms arranged thus and so; make me that molecule.'' The chemist does a mysterious thing
when he wants to make a molecule. He sees that it has got that ring, so he mixes this and that, and he
shakes it, and he fiddles around. And, at the end of a difficult process, he usually does succeed in
synthesizing what he wants. By the time I get my devices working, so that we can do it by physics, he
will 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 any
chemical 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 chemistry
and biology can be greatly helped if our ability to see what we are doing, and to do things on an atomic
level, 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 the
economic applications, but I know that the reason that you would do it might be just for fun. But have
some fun! Let's have a competition between laboratories. Let one laboratory make a tiny motor which it
sends to another lab which sends it back with a thing that fits inside the shaft of the first motor.
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High school competition
Just for the fun of it, and in order to get kids interested in this field, I would propose that someone who
has 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 written
before. They could have competition in high schools. The Los Angeles high school could send a pin to
the 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 offer
a prize of $1,000 to the first guy who can take the information on the page of a book and put it on an area
1/25,000 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 of
arguments 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, is
only 1/64 inch cube.
I do not expect that such prizes will have to wait very long for claimants.
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