Chapitre 4. Exploiter le potentiel des nanotechnologies pour préf igurer la prochaine révolution de la production

Friedrichs Steffi
Direction de la science, de la technologie et de l’innovation, OCDE

Les nanotechnologies sont des technologies généralistes qui ont déjà permis de nombreuses innovations de produit et de procédé ainsi que des améliorations de la productivité et de la durabilité dans presque tous les secteurs d’activité. Elles peuvent donner lieu à d’autres innovations et à l’émergence de nouveaux marchés dans un avenir proche, mais poursuivre les progrès dans ce domaine nécessite d’importants investissements dans la recherche et le développement et dans la commercialisation. De tels investissements devraient être soutenus par des collaborations intranationales et internationales afin de donner naissance à des infrastructures de recherche virtuelles, pour permettre le partage d’équipements au coût autrement prohibitif et le développement d’écosystèmes de recherche pluridisciplinaires réunissant universités, recherche publique et petites et grandes entreprises. L’enjeu est d’exploiter toute la puissance d’innovation des nanotechnologies dans tous les secteurs existants ou qui pourraient se développer. Il convient de concevoir de nouveaux modèles économiques et de financement de l’innovation qui tiennent compte de la pluridisciplinarité croissante de l’innovation et de son recours accru au numérique. Il convient également de lever les obstacles réglementaires à la commercialisation des nanotechnologies.

    

Introduction

Les nanotechnologies sont de plus en plus utilisées dans les procédés de production et les produits manufacturés. Elles permettent de remplacer les processus de production énergivores par d’autres moins coûteux (pour la fabrication des cellules photovoltaïques, par exemple, remplacement de la fusion de zone par l’impression sur rotative à l’air libre). Elles sont aussi à l’origine de nouveaux produits à usage unique bon marché (comme les laboratoires sur puce dans le domaine de la diagnostique).

Si l’on s’attend à ce que les nanotechnologies jouent un rôle plus important dans le secteur productif et dans les sciences, c’est que les nanosciences et leurs manifestations nanotechnologiques constituent l’étape ultime du contrôle de la matière – puisqu’il s’agit d’opérer à une échelle de longueur à laquelle la forme et la taille des agrégats d’atomes déterminent les propriétés et les fonctions de tous les matériaux et systèmes, y compris ceux des organismes vivants.

À courte et moyenne échéance, les nanotechnologies nous permettront de continuer d’améliorer nos produits et procédés de production. À plus longue échéance, les innovations qu’elles rendent possibles pourraient nous aider à créer des produits et des procédés entièrement nouveaux. Dans tous les cas, la productivité pourrait augmenter, et la demande de travailleurs qualifiés s’amplifiera. Il sera nécessaire de mieux comprendre les phénomènes à l’échelle nanométrique, donc d’investir dans la recherche scientifique fondamentale et appliquée.

Pour que les nanotechnologies nous livrent tous leurs avantages économiques et sociétaux, les responsables politiques devraient envisager la mise en œuvre de certains instruments spécifiques. Le présent chapitre examine et propose les suivants :

  • investissements dans la recherche et le développement (R-D) et dans la commercialisation des nanotechnologies

  • investissements dans des infrastructures de recherche virtuelles, et soutien de ces infrastructures, pour permettre le partage d’équipements au coût autrement prohibitif et favoriser un environnement de recherche collaboratif réunissant milieu universitaire, recherche publique et petites et grandes entreprises

  • aide à la mise en place d’écosystèmes de recherche interdisciplinaires

  • nouveaux modèles économiques et de financement de l’innovation, qui tiennent compte en particulier de la nature de plus en plus collaborative de la R-D lors des inventions complexes, et de l’essor du numérique dans les processus de recherche et de production

  • identification et levée, en temps opportun, des obstacles réglementaires à l’innovation dans les nanotechnologies, en particulier les incertitudes réglementaires.

De la curiosité scientifique à la technologie de rupture

Le préfixe « nano » désigne l’échelle de longueur correspondant à un milliardième de mètre et, par extension, l’intervalle compris entre 1 x 10-9 m et 100 x 10-9 m (à titre de comparaison, une feuille de papier ordinaire mesure environ 100 000 nanomètres d’épaisseur). Le terme « nanotechnologies » recouvre toutes les propriétés de la matière et tous les effets technologiques que rendent possible les phénomènes scientifiques intervenant à l’échelle de longueur du nanomètre. Les interactions à ce niveau que l’on appelle aussi « échelle nanométrique » ou « nano-échelle » sont fondamentales pour la vie et le monde matériel. L’échelle nanométrique est le domaine où les atomes, dépourvus de propriétés physiques propres, forment des liaisons entre eux, constituant ainsi les unités fonctionnelles les plus petites (nanométriques) de la matière, dont on observe les propriétés, les fonctionnalités et les mécanismes dans les mondes inorganique et organique.

La définition la plus large des nanotechnologies englobe par conséquent l’ensemble des phénomènes et processus intervenant à la nano-échelle, qui ont donné lieu à tout un éventail d’innovations : calculateur quantique (physique), matières invisibles (chimie des solides), tissus artificiels et cellules solaires biomimétiques (biologie), activateurs théranostiques pour la médecine (rendus possibles par les systèmes nano-électromécaniques créés en sciences de l’ingénieur).

Parce qu’elles nous donnent la possibilité de comprendre et de modifier les propriétés de la matière à l’échelle de l’atome, les nanotechnologies sont une composante déterminante de nombreux procédés de production et produits manufacturés avancés. Par exemple, elles peuvent aider à remplacer les procédés de production énergivores par d’autres moins coûteux (pour la fabrication des cellules photovoltaïques, par exemple, remplacement de la fusion de zone par l’impression sur rotative à l’air libre). Elles sont aussi à l’origine de la solution technique qui rend possible l’écran souple. Enfin, elles peuvent servir de fondement à de nouveaux produits de pointe à usage unique (comme les laboratoires sur puce dans le domaine de la diagnostique).

Les nanotechnologies sont des technologies généralistes (Helpman, 1998 ; Lipsey, Carlaw et Bekar, 2005) D’ailleurs il a souvent été dit qu’elles lanceraient la prochaine révolution industrielle. Elles devraient avoir un impact substantiel (dans certains cas, de rupture) dans tous les secteurs industriels, et faire émerger des secteurs entièrement nouveaux. Au fur et à mesure de leur développement, les nanotechnologies se verront intégrées à une gamme toujours plus large d’utilisations et réclameront des technologies et institutions complémentaires.

Dans les années 80, les études de prospective scientifique et technologique annonçaient que la progression serait fulgurante, de l’étape initiale de la découverte des techniques de maîtrise de la matière à l’échelle nanométrique, jusqu’à l’objectif final de la construction de n’importe quel système fonctionnel complexe à partir de ses plus petits éléments constitutifs (Drexler, 1986).

Le graphique 4.1 montre que la croissance du nombre de brevets liés aux nanotechnologies (losanges noirs) a connu une série de hausses plusieurs fois supérieures aux augmentations analogues mesurées pour des technologies génériques comparables telles que les biotechnologies (barres grises) et les technologies de l’information et de la communication (TIC) (barres bleues claires). Si l’on ajoute à cela la progression globale du nombre de brevets liés aux nanotechnologies déposés entre 1990 et 2011 (ligne pointillée bleue, axe de droite), on se rend compte que le domaine diversifié des nanotechnologies a déclenché des vagues répétées de recherches et de dépôts de brevets technologiques. Le graphique 4.2 détaille le phénomène en s’intéressant aux sous-domaines des nanotechnologies qui ont suscité un intérêt croissant pour certains phénomènes observés à l’échelle nanométrique.

Graphique 4.1. Évolution des brevets liés aux nanotechnologies, aux biotechnologies et aux TIC, 1990-2011
Taux annuels de croissance, familles de brevets IP5
picture

Source : OCDE (2016b), base de données STI Micro-data Lab: Intellectual property, http://oe.cd/ipstats (consulté en octobre 2016).

 StatLink http://dx.doi.org/10.1787/888933679773

Graphique 4.2. Évolution des sous-domaines des nanotechnologies, 1990-2011
Part de chaque sous-domaine dans le total des brevets liés aux nanotechnologies des familles IP5
picture

Source : OCDE (2016b), base de données STI Micro-data Lab: Intellectual property, http://oe.cd/ipstats (consulté en octobre 2016).

 StatLink http://dx.doi.org/10.1787/888933679792

Le graphique 4.2 illustre la grande variété des applications nanotechnologiques pour lesquelles il a été recherché la protection d’un brevet. Il montre également une évolution au cours du temps de l’importance relative des neuf sous-domaines des nanotechnologies définis par les offices des brevets à des fins de classification. Alors que la « nano-optique » et « le traitement, le stockage ou la transmission de l’information » dominaient les nanotechnologies en 1990, les « nanocomposites » et « la fabrication ou le traitement de nanostructures » étaient passés au premier plan en 2011. Les pourcentages indiqués dans le graphique 4.2 ont été établis sur la base des nombres de dépôts de familles de brevets IP5, la date de demande antérieure étant prise en compte.

Le nouveau visage d’une technologie générique révolutionnaire

On attribue souvent la première prédiction du potentiel d’innovation des nanotechnologies au physicien Richard Feynman, dans un exposé de 1959 intitulé « There’s plenty of room at the bottom ». Une vision de la révolution de toutes les sciences et technologies des matériaux que le contrôle de la matière à l’échelle nanométrique pourrait amorcer (Feynman, 1960). Pourtant, il a fallu attendre le développement de la microscopie avancée dans les années 80 et, en particulier, l’invention du microscope à effet tunnel (qui permet la visualisation en temps réel de la nano-échelle) en 1981 (Binning et Rohrer, 1986) pour voir apparaître le terme de « nanotechnologie ». Ce terme sera de plus en plus utilisé par la suite pour décrire un domaine de recherche interdisciplinaire en plein essor.

La recherche à l’échelle nanométrique est néanmoins soumise à des glissements thématiques, engendrés par la nouvelle compréhension que l’on acquiert de cette échelle et par d’autres découvertes scientifiques telles que l’isolation et la caractérisation du graphène en 2004 (Novoselov, 2004).

Le graphique 4.3 montre l’évolution des dix mots-clés les plus récurrents dans les titres d’articles de périodiques scientifiques consacrés aux nanotechnologies entre 1996 et 2014 (les pourcentages ont été calculés à partir du compte des occurrences normalisés de ces mots-clés). Au cours des deux dernières décennies, l’angle de la recherche sur les nanotechnologies s’est déplacé, des sciences de l’ingénieur intéressées par les matériaux inorganiques et leurs propriétés en 1996, à des applications scientifiques beaucoup plus larges. En 2014, la discipline était dominée par l’étude de matériaux appliqués spécifiques, comme les nanoparticules et le graphène, et l’application des nanotechnologies dans les tissus biologiques, comme la cellule.

Graphique 4.3. Évolution des principaux mots clés dans les articles consacrés aux nanosciences (1996-2014)
Part des dix mots-clés les plus récurrents dans les articles scientifiques (en anglais, avec leur traduction française entre parenthèses)
picture

Source : Elsevier (2016), Scopus Custom Data, base de données, version 12.2015 (consultée en octobre 2016). Fouille de texte réalisée avec VOSviewer, version 6.1.3.

 StatLink http://dx.doi.org/10.1787/888933679811

Leurs possibilités d’application se multipliant, les nanotechnologies se verront intégrées à une gamme toujours plus large d’utilisations et réclameront des technologies et institutions complémentaires qui puissent favoriser la recherche interdisciplinaire et donner accès aux puissants équipements de caractérisation nécessaires à la recherche dans cette discipline.

Jusqu’à présent, toutefois, l’approfondissement des connaissances des phénomènes nanométriques et leur application à la conception de matériaux avancés et à la nano-ingénierie progresse à une vitesse beaucoup plus lente que celle que l’on pouvait espérer dans les années 80. Ce rythme décevant s’explique principalement par le coût élevé de l’instrumentation de R-D ainsi que par les échecs notoires des nanotechnologies quand les procédures à l’échelle du laboratoire doivent être déployées à plus grande échelle pour être commercialisés. L’étape de la production commerciale reste difficile à atteindre en raison principalement de notre maîtrise insuffisante des processus physiques et chimiques à l’échelle nanométrique et de notre incapacité à contrôler les paramètres de production à cette échelle. On assiste cependant à des progrès dans ce domaine depuis quelques années, en particulier grâce aux techniques avancées de stockage et de traitement de données de plus en plus utilisées en conception et en développement de matériaux.

Même si les nombreux nouveaux produits des nanotechnologies qu’on espérait initialement voir apparaître n’ont pas vu le jour, on améliore progressivement les procédés de production, de fabrication, de maintenance et de transport en innovant grâce aux nanotechnologies. Depuis dix ans, de plus en plus de projets de R-D portent sur des procédés et produits nanotechnologiques dont l’adoption se fait ensuite rapidement. Par exemple, beaucoup de grandes entreprises se sont servies des nanotechnologies comme de technologies génériques au service d’innovations de procédé permettant d’atteindre les objectifs de protection de l’environnement et de développement durable : baisse des émissions de carbone grâce à la réduction des temps de réaction des procédés de production chimique ; baisse de la consommation de carburant des véhicules grâce à l’ajout de nanoparticules améliorant la combustion dans le gazole ; moindre recours aux solvants organiques grâce aux nanoparticules utilisables en suspension dans l’eau ; et remplacement de toxines et carcinogènes connus dans des composés de haute performance (notamment, remplacement de la poudre de nickel dans les alliages pour lames de turbines).

Pour ce qui est de l’innovation de produit à grand échelle, l’application des nanotechnologies prend la forme non pas d’une évolution radicale mais d’une amélioration graduelle des matériaux connus. Par exemple, l’industrie cosmétique incorporait auparavant aux crèmes solaires de grosses particules d’oxyde de zinc qui leur donnaient une consistance épaisse et une apparence opaque. Grâce aux nanotechnologies, elle a pu s’engager dans la fabrication à haute précision des nanoparticules d’oxyde de zinc qui absorbent le plus les ultraviolets (UV) donc protègent le plus contre ces rayonnements. En définitive, il est devenu possible d’ajouter une substance de protection UV translucide aux produits cosmétiques du quotidien. Dans un autre domaine, un rapport de 2014 a conclu que les nanotechnologies pourraient contribuer à la durabilité et à l’efficience de l’utilisation des ressources, dans l’industrie pneumatique, par exemple (OCDE, 2014).

Par ailleurs, les nanomatériaux avancés sont de plus en plus utilisés dans des procédés de fabrication à grande échelle de produits de haute technologie. À titre d’exemple, on les utilise (principalement, la silice amorphe synthétique colloïdale) pour abraser et polir finement des composants électroniques ou optiques.

Selon une étude de la Commission européenne (CE, 2012), environ 70 % des innovations de produit sont fondées sur des matériaux présentant des propriétés nouvelles ou améliorées. À l’avenir, la production et la fabrication de matériaux et de composants se feront de plus en plus souvent sous contrôle numérique, des capteurs assurant la liaison entre le monde physique et ce que l’on appelle les « jumeaux numériques » (c’est-à-dire, les représentations entièrement virtuelles d’objets complexes, exécutées parallèlement au développement de ces objets dans le monde physique, voir chapitre 6), ce qui permettra d’établir des boucles de retour d’information et d’amélioration fondées sur l’apprentissage automatique, comme on va le voir dans la section suivante.

Un lien entre les mondes numérique et physique

L’une des nano-applications les plus importantes à moyen et à long terme sera la mise au point de capteurs et de détecteurs de haute précision. Capables de sonder les briques élémentaires de la matière aux niveaux atomique ou moléculaire, les capteurs nanotechnologiques peuvent être fabriqués à différentes fins. Par exemple, ils peuvent être spécifiquement adaptés pour : détecter des molécules organiques dans l’air ambiant avec une sensibilité et une sélectivité très importantes (comme cela doit être le cas dans les systèmes de surveillance de la sécurité de l’air) ; fournir les résultats de tests de dépistage rapides (tels que ceux des analyses de sang pendant une épidémie de grippe) ; effectuer des contrôles en ligne de la qualité pendant un procédé de fabrication à haut rendement dans un système complexe (par exemple, production de puces informatiques) ; ou encore tester la structure et certaines propriétés de matériaux nouvellement conçus et développés (par exemple, des matériaux créés pendant le nouveau processus à haut rendement que constitue l’optimisation simultanée, décrite au chapitre 6).

La généralisation des jumeaux numériques donnera de plus en plus d’importance aux nanotechnologies en tant que lien entre les mondes numérique et physique. Mais pour que les petites et moyennes entreprises (PME) puissent, elles aussi, recourir à des jumeaux numériques, le coût de cette technique doit être substantiellement réduit. Le concept des « mondes miroirs », défini par l’informaticien David Gelernter il y a plus de 20 ans, devient enfin réalisable en pratique grâce à la plus grande rapidité des connexions internet, au stockage de données, à l’informatique en nuage et aux algorithmes avancés, qui permettent d’enregistrer les données massives relatives aux performances d’un matériau ou d’un composant dans d’immenses « lacs de données » prêts à servir aux processus ultérieurs de conception, de développement ou de maintenance (The Economist, 2016). D’après une estimation du McKinsey Global Institute, créer de telles connexions entre les mondes physique et numérique pourrait générer jusqu’à 11 000 milliards USD de valeur économique par an d’ici 2025, dont un tiers dans le secteur manufacturier (McKinsey Global Institute, 2015).

Les grandes entreprises des secteurs des matériaux et de l’ingénierie profitent de plus en plus des possibilités des nanotechnologies afin de mettre au point des capteurs polyvalents pour créer les jumeaux numériques de tous les types de biens physiques qu’ils conçoivent (The Economist, 2016).

Le rôle moteur des nanotechnologies dans la prochaine révolution de la production

Aujourd’hui, les nanotechnologies fournissent des réponses innovantes à un certain nombre de défis majeurs, tels que la durabilité environnementale des procédés industriels (par exemple, baisse de la consommation d’énergie et de solvants), la mitigation du changement climatique (par exemple, nanomatériaux de captage du carbone et de stockage de l’énergie), la fourniture à bas coût de produits de prévention des risques pour la santé (par exemple, crèmes solaires invisibles), ou encore le développement de kits de diagnostic rapide (par exemple, capteurs à petite échelle pour les laboratoires sur puce). Cette section présente trois cas d’étude, qui se rapportent aux secteurs des cellules photovoltaïques, de l’automobile et de la fabrication de bouteilles en plastique qui mettront en lumière ce que les nanotechnologies permettent sur les procédés et les technologies en milieu industriel, et en particulier sur la productivité

Étude de cas A : des cellules photovoltaïques plus sûres et plus répandues grâce aux nanotechnologies

Les nanotechnologies devraient révolutionner les cellules photovoltaïques et leur production pour quatre raisons, décrites ci-après.

  1. Parce qu’on peut maintenant déterminer avec précision la composition et/ou la structure d’un matériau à l’échelle nanométrique, on a pu créer de nouveaux matériaux photoactifs plus performants que les matériaux classiques selon au moins trois critères :

    • Coût de production. Il est possible de réduire substantiellement le coût de production des cellules photovoltaïques traditionnelles en remplaçant certains métaux coûteux (comme le platine) par des matériaux d’un prix plus abordable, notamment des nanocomposites (par exemple, une combinaison de nanofils d’oxyde de zinc sur des feuilles flexibles de graphite) (MIT, 2012) ou la structure en nid d’abeille du graphène dans laquelle on a intercalé du carbonate de lithium (Michigan Technological University, 2013).

    • Sécurité environnementale. Il est également possible d’améliorer l’innocuité des panneaux solaires en remplaçant des matériaux connus pour être toxiques (comme le plomb et le cadmium) par des nanocomposites sans risque ou presque pour l’environnement (Los Alamos National Laboratory, 2013).

    • Rendement énergétique. Enfin, il est possible d’augmenter le rendement énergétique des cellules photovoltaïques usuelles en réduisant l’épaisseur des couches de matériaux photoactifs au strict minimum (c’est-à-dire, deux feuilles d’une molécule d’épaisseur de graphène et d’autres éléments), ce qui permet d’empiler plusieurs de ces cellules dans un seul et même élément (MIT, 2013).

  2. Ramener la taille des matériaux photoactifs à l’échelle nanométrique a permis d’élargir nettement la gamme de procédés industriels adaptés à la production de cellules photovoltaïques et, ainsi, de passer d’une production très spécialisée et très consommatrice d’énergie par fusion de zone (cellules photovoltaïques traditionnelles en silicium) à des techniques à grande échelle, peu coûteuses, de dépôt en couche mince (d’un liquide et/ou d’un gaz) ou d’impression à haut rendement (sérigraphie, impression sur rotative à l’air libre). Ces nouvelles techniques servent à produire les cellules photovoltaïques les plus récentes, dites de deuxième ou de troisième génération.

  3. Les cellules en couche mince permettent en outre la création de cellules photovoltaïques flexibles et/ou sphériques, dont l’efficacité de collecte est meilleure que celle des cellules planes (Lin et al., 2014). Des ingénieurs du Laboratoire national sur les énergies renouvelables (National Renewable Energy Laboratory, NREL) de Golden (Colorado, États‐Unis) ont même réussi à concevoir des cellules photovoltaïques en couche mince, fabriquées à coût relativement faible, suffisamment flexibles pour être drapées.

  4. La miniaturisation à l’échelle nanométrique de tous les composants actifs d’une cellule photovoltaïque (c’est-à-dire, le matériau photoactif et les deux électrodes) permet d’intégrer sans obstruction des cellules photovoltaïques quasiment transparentes à toute une gamme de composants du bâtiment, ce qui pourrait augmenter la production globale d’électricité d’origine solaire.

Bien que les progrès technologiques rapides et le boom actuel du marché des cellules photovoltaïques ne découlent pas encore véritablement des nanotechnologies, le quadruple impact de ces dernières sur la production de cellules photovoltaïques devrait se faire sentir à moyen et long terme.

Pour l’heure, les cellules photovoltaïques les plus courantes sont celles dites de première génération (en silicium cristallin) et de deuxième génération (composées de fines couches de métaux souvent toxiques). À moyen terme, on verra apparaître sur le marché les cellules photovoltaïques de troisième génération, composées de teintures organiques, dont les fonctionnalités et le mode de production à moindre coût sont le fruit d’innovations fondées sur les nanotechnologies. En parallèle, les nanotechnologies permettront de remplacer les composés toxiques des cellules photovoltaïques de deuxième génération par des nanocomposites aux performances analogues mais sans risque ou presque pour la sécurité.

À plus long terme, les nanotechnologies devraient donner naissance à de nouvelles cellules photovoltaïques translucides et à des procédés d’impression avancés qui permettront de couvrir les composants des bâtiments de cellules photovoltaïques bon marché. Ces évolutions pourraient entraîner une hausse significative de la part de la consommation mondiale d’énergie d’origine solaire, qui est actuellement de 1 % (AIE, 2014).

Étude de cas B : des avantages pour l’industrie automobile et ses clients grâce aux produits et procédés améliorés par les nanotechnologies

Grâce à leurs cycles d’innovation rapides, les secteurs de l’automobile et des transports bénéficient très largement des nanotechnologies. Ils ont déjà commercialisé avec succès de nombreuses applications. Par exemple, la mise au point de catalyseurs et d’additifs pour carburant avancés à base de nanomatériaux a permis d’améliorer les performances environnementales et de réduire la consommation des véhicules ; les nanomatériaux à base de noir de carbone augmentent les performances des pneus ; et les carrosseries bénéficient désormais de protections anti-corrosion développées grâce aux nanotechnologies.

Les innovations fondées sur les nanotechnologies révolutionnent également les procédés de production complexes du secteur automobile. Par exemple, pour réduire la consommation et augmenter la résistance à la corrosion des véhicules, les constructeurs ont remplacé un nombre croissant de pièces automobiles métalliques par des composites polymères. Mais cette amélioration a eu un coût financier et environnemental car les polymères ne sont pas électriquement conducteurs : il a fallu exclure les nouvelles pièces de la ligne de peinture électrostatique. Remédier au problème a nécessité de revêtir les pièces en polymère d’une couche de fond conductrice au cours d’une étape de production distincte avant de les peindre avec les parties métalliques (ou d’établir une deuxième ligne de peinture pour les pièces en polymère, mais au prix de différences dans les propriétés et de l’aspect visuel). Or, les nanotechnologies apportent une nouvelle solution : l’ajout de petites quantités de nanofibres de carbone (des fibres de carbone fines, légères, extrêmement longues) au composite polymère le rend électriquement conducteur, sans modifier aucune autre de ses propriétés (Burton, 2006). Il a été estimé que cette innovation pouvait réduire les coûts de fabrication de 100 USD par véhicule, soit une valeur nette de l’ordre de 2 milliards USD par an pour l’ensemble du secteur automobile mondial (Burton, 2006).

Étude de cas C : une réduction drastique du coût et de l’empreinte carbone de la production de bouteilles en polytéréphtalate d’éthylène (PET) grâce aux nanomatériaux

L’industrie alimentaire est connue pour sa réticence à adopter des technologies et des matériaux radicalement nouveaux, compte tenu, d’une part, de la charge réglementaire importante qui pèse sur les innovations relatives aux produits d’alimentation humaine ou animale et aux matériaux en contact avec des aliments et, d’autre part, des attitudes de plus en plus sceptiques et nostalgiques des consommateurs, qui façonnent les opinions sur la nourriture et la nutrition plus que sur tout autre produit de consommation. Et pourtant, c’est dans ce secteur que s’est produite la toute première innovation de procédé – et l’une des plus rapides – que l’on doit aux nanotechnologies. En 2007, un brevet a été déposé pour protéger l’idée d’ajouter des nanoparticules thermo-absorbantes aux bouteilles de boisson en polymère qui viennent d’être soufflées afin de raccourcir le temps nécessaire à leur durcissement sous lumière infrarouge. Avec ce nouveau procédé, des nanoparticules en nitrure de titane absorbent la lumière infrarouge, devenant de fait des sources locales et miniatures de chaleur à l’intérieur du polymère (US DOE, 2011 ; Guler et al., 2013). Moins d’un an plus tard, l’Autorité européenne de sécurité des aliments (AESA) examinait et approuvait la sécurité de ces nanoparticules dans les bouteilles de boisson usuelles fabriquées en plastique PET (AESA, 2008). Cette innovation, aujourd’hui vendue dans le monde entier sous la forme d’une solution concentréede nanoparticules qu’il suffit d’ajouter au PET fondu à l’étape de l’injection dans le moule à préforme, est utilisée par quelques-uns des plus gros fabricants de bouteilles en PET.

La hausse de productivité qui résulte de cette innovation aurait substantiellement réduit les coûts de fabrication, d’abord parce que le temps d’étuvage des bouteilles en PET soufflées à chaud a été raccourci, ensuite parce que la consommation d’énergie requise au cours du procédé a été réduite de 38 %, ce qui revient à presque doubler la baisse des coûts et la réduction des émissions de CO2 obtenue en mélangeant tout autre additif au polymère.

Implications pour l’action publique

Des infrastructures virtuelles pourraient suppléer aux coûts de R-D élevés

Il est nécessaire d’investir largement dans la R-D. De tels investissements peuvent aider à établir des communautés de recherche et à produire des connaissances suffisantes en attendant que la technologie soit assez développée pour se financer elle-même grâce aux applications industrielles et à leur commercialisation. Les recherches sur les nanotechnologies, très capitalistiques, nécessitent des salles blanches et des techniques de microscopie avancée à la plupart des étapes de la démarche de R-D. Le coût de la R-D consacrée aux nanotechnologies est appelé à rester très élevé (par exemple, au Royaume-Uni, l’utilisation d’un microscope dernier cri pendant une journée peut coûter plus de 5 000 GBP) et pourrait même augmenter encore avec la spécialisation : comprendre pleinement les processus et les propriétés de la matière à l’échelle nanométrique exige des matériels de plus en plus spécialisés et performants, comme les appareils combinés de nanofabrication (manipulation) et de caractérisation (imagerie).

Mobiliser l’ensemble des outils de recherche et d’ingénierie nécessaires à la mise en place d’infrastructures complètes de R-D pour les nanotechnologies risque d’avoir un coût prohibitif. Les équipements de pointe coûtent plusieurs millions d’euros et nécessitent souvent la construction de bâtiments adaptés. En outre, les instruments de recherche les plus puissants n’existent parfois que sous forme de prototypes. Il est donc presque impossible de rassembler des infrastructures nanotechnologiques complètes dans un seul établissement ou même une seule région. De ce fait, il est impératif d’intensifier la collaboration interinstitutionnelle et/ou internationale pour pouvoir exploiter tout le potentiel des nanotechnologies. Les programmes de R-D financés par les pouvoirs publics devraient être ouverts aux établissements universitaires et aux entreprises (grandes et petites) d’autres pays. Cela permettrait de tisser des liens de collaboration ciblés, orientés vers des solutions précises, entre des partenaires idoines et de créer une infrastructure de R-D virtuelle (c’est-à-dire un réseau d’établissements et de laboratoires qui possèdent des instruments et une expertise complémentaires, entre lesquels les chercheurs peuvent circuler comme s’ils travaillaient dans une même installation de recherche). Une telle infrastructure de R-D a par exemple été créée dans le cadre du projet QualityNano de la Commission européenne (QualityNano, 2015).

La création d’infrastructures virtuelles qui mettent en relation des éléments d’infrastructure de R-D pour former des réseaux pluridisciplinaires de scientifiques et d’ingénieurs offre une alternative moins coûteuse au financement de multiples centres de R-D sur les nanotechnologies. La montée en puissance du numérique rend justement possible l’accès à (parfois très grande) distance à des équipements de R-D de haute technologie, de telle sorte qu’aujourd’hui, les utilisateurs d’un microscope ultramoderne peuvent même conduire leurs expériences depuis un terminal informatique situé sur un autre continent.

L’interdisciplinarité doit être soutenue et encouragée

Les nanotechnologies tendent à prospérer au milieu des disciplines traditionnelles, autrement dit lorsque des infrastructures de recherche et d’ingénierie spécialisées sont disponibles – favorisant ainsi la multidisciplinarité – et que l’expertise des disciplines traditionnelles est mise en commun. De telles conditions peuvent prendre la forme de réseaux virtuels, comme celui constitué en Allemagne pour soutenir la nanotechnologie biomédicale (Malsch, 2005), ou d’établissements de recherche, à travers par exemple les projets de collaboration interdisciplinaire dans la recherche menés au Royaume-Uni. Les responsables publics devraient chercher à soutenir ces réseaux multidisciplinaires, idéalement avec une infrastructure de R-D. Ces réseaux devraient inclure des universités et des petites et grandes entreprises. Encourager les partenariats public-privé est un moyen de favoriser l’excellence à la fois scientifique et commerciale.

De par leur vocation généraliste, les nanotechnologies influent sur un large éventail d’activités industrielles. C’est pourquoi les moyens d’action qui les soutiennent le mieux sont ceux qui tiennent compte de la pratique multidisciplinaire qu’elles exigent. En 2008, la plupart des pays de l’OCDE disposaient de politiques spécifiques et d’instruments de financement de la R-D dédiés, et autour de la moitié de ces pays avaient établi de nouveaux cadres organisationnels et institutionnels pour soutenir les nanotechnologies (OCDE, 2008)1.

De nouveaux modèles économiques et de financement de l’innovation sont nécessaires pour réaliser la prochaine révolution de la production

Le coût relativement élevé de la R-D dans les nanotechnologies empêche les petites entreprises d’innover et de réussir dans ce domaine. Les grandes entreprises, fortes de leur masse critique de R-D et de production, peuvent acquérir, exploiter des instruments coûteux, se procurer et utiliser des connaissances externes. Elles sont en meilleure posture pour assimiler les nanotechnologies (OCDE, 2010). Les responsables publics devraient soutenir les petites entreprises dans leurs efforts d’innovation et de commercialisation, en prévoyant pour elles des incitations et des soutiens suffisants et appropriés pour qu’elles réalisent pleinement leur potentiel. Ils pourraient aussi s’employer à faciliter l’accès des PME aux équipements nécessaires : en augmentant les subventions de la recherche accordées aux PME ; en subventionnant/exonérant de redevances l’utilisation de ces équipements ; ou en délivrant des bons d’utilisation aux PME. Le développement de réseaux associant établissements universitaires, laboratoires publics de recherche et petites et grandes entreprises crée un cadre propice au partage d’une infrastructure de recherche, tout en aidant dans le même temps les start-ups à s’implanter dans une chaîne de valeur commerciale existante ou potentielle.

Pour que les processus de R-D à haut rendement de demain (tels que la conception simultanée et les jumeaux numériques décrits au chapitre 6) se généralisent dans la filière nanotechnologique, les décideurs des secteurs public et privé doivent envisager de réexaminer les modèles économiques et de financement existants. De nouveaux modèles pourraient bien être nécessaires. La R-D des nouvelles technologies convergentes ainsi que l’invention et la fabrication des produits rendus possibles par ces technologies, se déroulent suivant d’autres processus que ceux que l’on observe traditionnellement (par exemple : construction automobile, industrie alimentaire ou sidérurgie). Cependant, des barrières spécifiques pourraient faire obstacle à l’émergence d’un écosystème adapté, pour les raisons suivantes :

  • La généralisation de la conception simultanée et des jumeaux numériques exige la création de grandes bases de stockage, en accès libre, des données (et des métadonnées) de R-D fondamentale produites par les laboratoires de recherche universitaires, les grands centres de R-D de l’industrie et les PME (généralement des start-ups ou des entreprises issues de l’essaimage). La première difficulté tient donc au fait de savoir comment de telles bases de données seraient financées, qui serait responsable de leur création et de leur maintenance, et comment leur qualité serait contrôlée. S’il semble le plus approprié que la responsabilité de ces bases incombe à une enceinte internationale de collaboration entre autorités publiques, il est en revanche moins facile de déterminer comment les coûts de développement, de maintenance et de contrôle qualité seraient couverts. Les pouvoirs publics devraient collaborer à l’élaboration d’une stratégie et d’une feuille de route applicables à des communs de données internationalement partagés.

  • Les pouvoirs publics doivent également imaginer des modèles qui permettent de partager librement les données préconcurrentielles sans compromettre la capacité des universités et des petites entreprises à lever des fonds. Dans les situations où grandes entreprises, PME et universités mettraient à disposition leur données de R-D fondamentale (c’est-à-dire à la foi les paramètres et les spécifications des produits et des procédés) dans une base de données en accès libre (partage de données), il serait difficile (peut-être impossible) de conclure des accords de licence ou de prévoir des accords bénéficiant aux contributeurs de l’amont de la chaîne de connaissances (autrement dit, les chercheurs). Ce manque de protection des données de R-D fondamentale fragiliserait les modèles actuels de collaboration entre universités et industriels – comme le financement de programmes de doctorat sur des thèmes particuliers de recherche – qui sont fondés sur l’affectation de la propriété des différents éléments de savoir nécessaires à la collaboration (notamment, propriété intellectuelle d’amont, articles publiés dans des revues à comité de lecture, et métadonnées concernant les matériaux). Les collaborations de ce type entre le public et le privé sont généralement négociées et garanties par des contrats de collaboration aux termes desquels la part de la propriété de l’invention qui revient à chaque partie dépend descapacités de recherche, des compétences et de la propriété intellectuelle d’amont de cette partie. Si leur principal levier de négociation (les données de R-D fondamentale) devenait librement accessible, les universités pourraient perdre les financements dont elles bénéficient grâce à leur collaboration avec l’industrie et, de ce fait, ne plus avoir les moyens d’acquérir les équipements de pointe nécessaire à la R-D sur les nanotechnologies.

  • Les décideurs et les responsables de l’élaboration des politiques devraient travailler à la création d’un écosystème d’innovation qui permet le partage préconcurrentiel des données de R-D fondamentale sans compromettre la protection de la propriété intellectuelle de ceux qui n’ont pas les moyens financiers de faire protéger leurs travaux par des brevets. Il pourrait s’agir de rendre le dépôt de brevet moins coûteux pour les PME, mais aussi d’assurer la protection de la propriété intellectuelle par d’autres moyens.

  • Le concept de jumeau numérique met plus en avant encore l’importance des algorithmes de calcul qui peuvent transformer de gros volumes de données sur les matériaux et les procédés en modèles et simulations d’inventions. Si le jumeau numérique devenait un outil d’innovation dominant dans une chaîne de valeur, la valeur ajoutée se déplacerait de l’expert de R-D à la puissance de calcul et d’apprentissage automatique de l’algorithme. Par exemple, dans la chaîne de valeur de la fabrication de matériaux pour les pales de turbine, les savoirs les plus importants sont actuellement aux mains des spécialistes des matériaux et des procédés. Ces experts suggèrent des innovations incrémentielles des compositions et/ou des procédés appliqués pour fabriquer le matériau puis la pale de la turbine. Dans un monde de jumeaux numériques, le développement innovant de la pale de la turbine se ferait depuis un modèle numérique de cette pale, les données de R-D fondamentale sur les pales de turbine venant constamment alimenter un algorithme d’apprentissage automatique qui simulerait les composants idéaux du matériau et les paramètres de fabrication de la pale, tout en mesurant en continu les paramètres cibles d’un prototype de pale de turbine et en ajustant les paramétrages en cas de déviation. Dans ce scénario futuriste, l’étape innovante déterminante viendrait de l’algorithme. À ce sujet, il convient de réfléchir à l’harmonisation internationale de la protection de la propriété intellectuelledes programmes et logiciels, actuellement régie par des règles différentes aux termes des droits des États-Unis et de l’UE.

La collaboration internationale doit aider à éliminer les incertitudes réglementaires

Les incertitudes réglementaires qui entourent l’appréciation des risques et l’homologation des produits issus des nanotechnologies entravent lourdement la commercialisation des innovations associées aux nanotechnologies. La raison en est que des produits en attente d’autorisation de mise sur le marché restent parfois dans les cartons pendant plusieurs années avant qu’une décision soit prise. Il est arrivé que cela pousse des start-ups pourtant prometteuses à mettre la clé sous la porte, ou de grandes entreprises à mettre fin à des projets de R-D ou de mise au point de produits innovants. Dans un rapport de 2016 sur le traitement de certains produits issus des nanotechnologies dans les flux de déchets, l’OCDE a conclu qu’il fallait redoubler d’efforts pour intégrer les nanotechnologies en toute sécurité dans leurs différents domaines d’utilisation (OCDE, 2016a). Les pouvoirs publics devraient soutenir la définition de règles transparentes et opportunes d’évaluation des risques présentés par les produits issus des nanotechnologies, tout en œuvrant à l’harmonisation internationale de ces règles. Depuis 2006, l’OCDE est à la manœuvre sur la scène internationale pour encourager la convergence des approches réglementaires concernant la sécurité de ces produits (OCDE, 2011).

Références

AESA (Autorité européenne de sécurité des aliments) (2008), «21ème liste de substances présentes dans des matériaux en contact avec les aliments  Avis du groupe scientifique sur les matériaux en contact avec les aliments, les enzymes, les arômes et les auxiliaires technologiques (CEF) », Autorité européenne de sécurité des aliments, n° 888-890, pp. 1-14, http://dx.doi.org/10.2903/j.efsa.2008.888 (consulté le 20 janvier 2017).

AIE (Agence internationale de l’énergie) (2014), «2014 IEA snapshot of global PV markets », AIE/OCDE, Paris, www.iea-pvps.org/fileadmin/dam/public/report/technical/PVPS_report_-_A_Snapshot_of_Global_ PV_-_1992-2014.pdf (consulté le 20 janvier 2017).

Binnig, G. et H. Rohrer (1986), «Microscope à effet tunnel », IBM Journal of Research and Development, vol. 30, n° 4, pp. 355-69.

Burton, D. (2006), «Enabling electrostatic painting of automotive polymers with low cost carbon nanofibers », Agence américaine pour la protection de l’environnement (EPA), Washington, DC, http://cfpub.epa.gov/ncer_abstracts/index.cfm/fuseaction/display.abstractDetail/abstract/7975 (consulté le 20 janvier 2017).

CE (Commission européenne) (2012), «Materials Research and Innovation in the Creative Industries », http://dx.doi.org/10.2777/30054.

Drexler, K.E. (1986), Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, Anchor Books, New York.

Elsevier (2016), Scopus Custom Data, base de données, Version 12.2015 (consulté en octobre 2016).

Feynman, R.P. (1960), «There’s plenty of room at the bottom », Engineering and Science, février, pp. 22-36.

Guler, U. et al. (2013), «Local heating with titanium nitride nanoparticles », CLEO : 2013, OSA Technical Digest, Optical Society of America, https://engineering.purdue.edu/∼shalaev/Publication_list_files/CLEO2013_LocalHeatingTiN_NPs.pdf (consulté le 20 janvier 2017).

Helpman, E. (dir. pub.) (1998), General Purpose Technologies and Economic Growth, MIT Press, Cambridge, Mass., et Londres.

Lin, K.-C. et al. (2014), «Solar Energy Collection on a spherical surface », Energy and Environmental Engineering, n° 2, pp. 48-54.

Lipsey, R., K. Carlaw et C. Bekar (2005), «Economic Transformations – General Purpose Technologies and Long-Term Economic Growth », Oxford University Press.

Laboratoire national de Los Alamos (2013), «Nontoxic quantum dot research improves solar cells », communiqué de presse.

Malsch, N.H. (2005), Biomedical Nanotechnology, CRC Press, Boca Raton, FL, www.crcpress.com/Biomedical-Nanotechnology/Malsch/p/book/9780824725792.

McKinsey Global Institute (2015), «The Internet of Things: Mapping the value beyond the hype », McKinsey & Company, www.mckinsey.com/∼/media/mckinsey/business%20functions/mckinsey%20digital/our%20insights/the%20internet%20of%20things%20the%20value%20of%20digitizing%20the%20physical%20world/unlocking_the_potential_of_the_internet_of_things_full_report.ashx (consulté le 18 avril 2017).

MIT (2013), «Solar power heads in a new direction: thinner », communiqué de presse, MIT News, Institut de technologie du Massachusetts, Cambridge, Mass., http://news.mit.edu/2013/thinner-solar-panels-0626 (consulté le 20 janvier 2017).

MIT (2012), «Flexible, light solar cells could provide new opportunities », communiqué de presse, MIT News, Institut de Technologie du Massachusetts, Cambridge, Mass., http://news.mit.edu/2012/hybrid-flexible-light-solar-cells-1221 (consulté le 20 janvier 2017).

Novoselov, K.S. et al. (2004), «Electric field effect in atomically thin carbon film », Science, n° 306, vol. 306, n° 5696, pp. 666-669, http://dx.doi.org/10.1126/science.1102896.

OCDE (2016a), Nanomaterials in Waste Streams: Current Knowledge on Risks and Impacts, Éditions OCDE, Paris, http://dx.doi.org/10.1787/9789264249752-en.

OCDE (2016b), STI Micro-data Lab: Intellectual property, base de données, http://oe.cd/ipstats (consulté en octobre 2016).

OCDE (2014), Nanotechnology and Tyres: Greening Industry and Transport, Éditions OCDE, Paris, http://dx.doi.org/10.1787/9789264209152-en.

OCDE (2011), «Nanosafety at the OECD: The first five years 2006-2010 », OCDE, Paris, www.oecd.org/science/nanosafety/47104296.pdf (consulté le 20 janvier 2017).

OCDE (2010), The Impacts of Nanotechnology on Companies: Policy Insights from Case Studies, Éditions OCDE, Paris, http://dx.doi.org/10.1787/9789264094635-en.

OCDE (2008), «Inventory of national science, technology and innovation policies for nanotechnology 2008 », OCDE, Paris, www.oecd.org/sti/nano/43348394.pdf (consulté le 20 janvier 2017).

QualityNano (2015), site web du projet, www.qualitynano.eu/ (consulté le 20 janvier 2017).

The Economist (2016), «Machines Learning – Siemens and General Electric gear up for the Internet of Things », The Economist, 3 décembre, www.economist.com/node/21711079#print (consulté le 13 décembre 2016).

Université technologique du Michigan (2013), «3D Graphene: Solar power’s next platinum? », communiqué de presse, www.understandingnano.com/3d-graphene-solar-power.html (consulté le 20 janvier 2017).

US DOE (Département de l’Énergie des États-Unis) (2011), «Infrared Absorbing Nanoparticles for Reducing Cure Temperatures in Industrial Coatings », DOE/EE-0538, mai, Département de l’Énergie des États-Unis, Washington, DC, www1.eere.energy.gov/manufacturing/industries_technologies/nanomanufacturing/pdfs/concept_infrared_nanoparticles.pdf (consulté le 20 janvier 2017).

Note

← 1. L’OCDE conduit actuellement une étude pour déterminer si ces premiers programmes de financement spécifique de la R-D sur les nanotechnologies ont depuis été remplacés par des mesures plus génériques.