Suivez-nous sur Twitter Suivez-nous sur Facebook VQ  velo.qc.ca 
Reportages

Nanotechnologies, une révolution invisible

Par Marine Corniou - 02/03/2012


De l’or rouge, bleu, jaune. Du caoutchouc rigide comme de l’acier, du métal aussi transparent que l’eau et aussi léger que l’air... Tout cela existe et a déjà envahi notre quotidien, presque à notre insu. Merveilles et dangers de l'infiniment petit.

Le mot est partout, évoquant des recherches de pointe mystérieuses et des composants électroniques high-tech, de plus en plus miniaturisés. Mais la réalité va bien au-delà. Car les nanotechnologies constituent une vraie révolution. La chimie, l’énergie, le textile, la communication et même la médecine risquent d’en être transformées. En fait, sans qu’on s’en aperçoive, les nanomatériaux ont déjà envahi notre quotidien. Pneus et parechocs; crèmes solaires et cosmétiques; emballages et additifs alimentaires; vêtements et chaussures; peintures et vernis; articles de sport; écrans tactiles; téléphones portables, etc., plus de 1 300 produits «nanos» sont déjà sur le marché.

Les nanotechnologies consistent à manipuler et à contrôler la matière dans l’infiniment petit, à l’échelle du nanomètre (nm) – un milliardième de mètre. Par exemple, plutôt que d’utiliser du métal ou du carbone sous forme de «blocs» de grosse taille, on les utilise à l’état de minuscules fragments de moins de 100 nm, soit la taille de quelques atomes. Pour avoir une idée de ce que cela signifie, on utilise souvent cette analogie: il y a le même rapport de taille entre la planète Terre et une orange qu’entre une orange et une nanoparticule!

Or, ces minuscules éléments ont des propriétés spectaculaires. Ainsi, le carbone, friable quand il est utilisé dans la mine d’un crayon, devient 100 fois plus résistant que l’acier – mais reste 6 fois plus léger – quand il prend la forme de nanotubes. Ces cylindres, constitués d’un feuillet d’atomes de carbone environ 100 000 fois plus fin qu’un cheveu, peuvent aussi conduire l’électricité de façon 1 000 fois plus efficace que le cuivre ou l’argent. Quant à l’or, qui est un métal habituellement inerte, il devient un excellent semi-conducteur et un bon catalyseur facilitant certaines réactions chimiques lorsqu’il est «fragmenté» à l’échelle nanométrique.

«Le terme englobe une multitude de choses», précise Benoît Balmana, président de NanoQuébec, un organisme financé par le gouvernement, dont le but est de promouvoir l’émergence des nanotechnologies.

Oxydes nanométriques de titane, de fer, de césium et de zinc, nanoparticules d’argent, de silice, fullerènes (des sphères constituées d’atomes de carbone), polymères appelés «dendrimères», etc. Les nanos nous rendent déjà de nombreux services, qu’il s’agisse de miniaturisation des composants et des circuits électroniques, ou d’intégration de nanomatériaux dans les plastiques et les composites, et, bientôt, de nanorobots capables de transporter les médicaments dans l’organisme. Car leurs «talents» sont multiples: résistance aux UV, aux chocs, aux rayures et à la corrosion; mais aussi légèreté, solidité, conductivité, propriétés antibactériennes ou antireflets surpassant de loin celles des matériaux classiques.

«Par une simple réduction de taille à l’échelle nanométrique, la matière acquiert des propriétés radicalement nouvelles», explique Claude Ostiguy, chimiste spécialiste des nanoparticules et chercheur dans le service de Prévention des risques chimiques et biologique de l’Institut de recherche Robert-Sauvé en santé et en sécurité du travail (IRSST) à Montréal.

À quoi peut-on attribuer ces propriétés? Principalement au fait que le rapport entre la surface et la masse des nanomatériaux est très élevé. Autrement dit, ces minuscules grains de matière, qui se présentent sous forme de billes, de tubes, de cristaux ou encore de filaments, présentent une proportion très élevée d’atomes à leur surface. Ainsi, une petite sphère de 0,1 mm de diamètre n’aura que 0,006% de ses atomes en surface (le reste étant confiné dans le cœur de la bille), alors que, sur une sphère de 10 nm, 6% des atomes affleurent à la surface. Or, plus le nombre d’atomes exposés à la surface est élevé, plus les matériaux sont réactifs.

Il faut aussi savoir que, à cette échelle, la matière est régie par les lois de la physique quantique. Rien de magique, même si cela peut en avoir l’air. «Chaque atome peut influencer le comportement des autres atomes et des électrons dans son environnement. Ces effets quantiques affectent le comportement optique, électrique ou magnétique du matériau. Par exemple, en contrôlant précisément la dimension de particules d’or de quelques nanomètres, on peut obtenir de l’or de différentes couleurs: rouge, bleu, jaune, etc. De tels phénomènes n’existent pas à grande échelle», ajoute Claude Ostiguy.

Il suffit ensuite d’incorporer ces nanoparticules «magiques» à des matériaux classiques pour conférer à ces derniers des propriétés exceptionnelles. «Deux à 3% de nanoparticules peuvent augmen­ter la résistance ou la conductivité d’un composite de 40% à 80%», s’enthousiasme Benoît Balmana. Ajoutez 3% de nano­tubes de carbone à un caoutchouc synthétique, et vous multipliez par 10 sa rigidité. «En répartissant une infime quantité de nanotubes de façon homo­gène dans un plastique, on obtient un réseau de fibres interagissant les unes avec les autres, ce qui renforce considérablement le matériau», précise Claude Ostiguy. Les nanoparticules permettent par ailleurs de s’affranchir de certains métaux rares et coûteux comme le platine ou l’indium, utilisés en électronique ou en chimie. De quoi faire rêver les industriels!

Le marché mondial de l’infiniment petit représentait 40 milliards de dollars en 2001, 500 milliards en 2008 et pourrait atteindre le double d’ici 2015, selon la National Science Foundation, aux États-Unis.

Le Québec embarque

Au Québec, la révolution en est à ses débuts, mais les choses s’accélèrent. L'entreprise Raymor, à Boisbriand, est une de ces compagnies avant-gardistes qui a
plongé tête la première dans ce nouveau marché. Depuis l’an dernier, on y fabrique
des nanotubes de carbone dits à « simple paroi » . « Pour l’instant, ces nanotubes sont surtout utilisés pour la recherche, mais les débouchés sont prometteurs, explique Jens Kroeger, jeune physicien chargé de production chez Raymor. Ils seront utilisés en électronique, notamment pour fabriquer des écrans tactiles. »

Et l’entreprise n’a pas l’intention de laisser passer le bateau des nanos. Cette année,
l’usine devrait accroître sa production de quelques grammes à 2 kg par jour. « Il
faut que les entreprises québécoises se positionnent rapidement sur ce marché, car la concurrence asiatique va être rude », observe Matthieu Balmayer, lui aussi physicien chez Raymor. De son côté, CelluForce, une entreprise implantée à Windsor, en Estrie, s’apprête à lancer une production de 1 000 tonnes par jour de nano-cellulose. Obtenue à partir de pâte de bois, elle sera utilisée pour renforcer des matériaux, des vernis ou pour fabriquer des vitrages anti-UV.

Merveilleux, tout cela. Oui, mais le nanomonde a aussi son revers. Car si les propriétés de beaucoup de substances sont décuplées à l’échelle nanométrique, c’est aussi le cas de leur nocivité. Et pour cause; en plus d’être très réactives, les nanoparticules ont une taille comparable à celle des molécules de l’organisme humain.

Elles peuvent donc se confondre avec elles et déclencher des messages cellulaires, perturbant ainsi le fonctionnement des organes. Un « dommage collatéral » connu depuis longtemps, car les nanoparticules sont omniprésentes dans l’environnement, qu’elles proviennent de l’activité volcanique, des poussières désertiques ou encore des phénomènes de combustion naturels ou industriels.

Les travailleurs à risque

« Il est prouvé que les nanoparticules émises par les voitures ou les cheminées d’usine sont nocives. Ainsi, lors d’un épisode de smog, on enregistre une hausse des décès dus à des pathologies cardiovasculaires et pulmonaires », explique Claude Ostiguy. Les études menées chez l’animal pour tester l’innocuité des nanoparticules fabriquées en laboratoire démontrent qu’il y a bel et bien un risque potentiel pour la santé. Un risque auquel ceux qui manipulent ces nanoparticules seraient particulièrement exposés.

Il y a quelques années, on estimait à environ 2 000 le nombre de Québécois exposés aux nanoparticules, principalement dans le milieu de la recherche. Mais ce nombre va aller en augmentant. Selon l’Organisation Internationale du Travail, en 2020, 20 % des produits manufacturés dans le monde seront issus des nanotechnologies, ce qui est loin de faire l’unanimité.

Depuis le début des années 2000, un débat oppose les industriels aux chercheurs et aux comités d’éthique. Doit-on continuer à produire et à utiliser les « nanos » alors qu’on connaît encore très mal leurs effets sur la santé?

« Les études visant à évaluer la toxicité des nanoparticules sont très difficiles à mener, précise Myriam Ricaud, ingénieure chimiste à l’Institut national de recherche et de sécurité, en France. Il est impossible de tirer des conclusions générales, car chaque nanomatériau a un potentiel de toxicité qui lui est propre, qui dépend de sa composition, de sa taille, de sa surface, de sa forme. » En France, le débat public a déjà eu lieu. Résultat, le gouvernement demande désormais aux industriels de considérer ces produits comme « a minima dangereux ».

Autre frein à l’évaluation, les études de toxicologie coûtent cher, et les industriels sont peu enclins à les financer. Selon un rapport de l’Organisation de Coopération et de Développement Économiques (OCDE), en 2007, moins de 1 % du budget mondial alloué au développement des nanosciences était consacré aux aspects de santé et sécurité.

Pourtant, tout laisse croire que le risque est réel. Le dioxyde de titane (TiO2) ultra-
fin, qui est le plus étudié des nanomatériaux, a été reconnu par le Centre international de Recherche sur le Cancer en 2006 comme un cancérogène possible
chez l’homme lorsqu’il est inhalé, alors qu’il est inoffensif à plus grande échelle.

Les nanotubes de carbone ne semblent guère plus sûrs. Ils peuvent abîmer l’ADN, entraîner une inflammation pulmonaire, voire causer des cancers chez les animaux. « Ils forment des agglomérats dans les poumons dont les effets sont comparables à ceux de l’amiante », indique Claude Ostiguy. En milieu de travail, le risque des nanos provient principalement de l’inhalation, mais il y a aussi un risque de pénétration cutanée. « Et l’on a encore très peu de données sur le devenir de ces molécules dans l’organisme », avertit l’expert.

Si on sait que ces molécules ont tendance à s’accumuler dans les poumons, certaines
comme le TiO2 peuvent aussi entrer dans l’appareil circulatoire et atteindre d’autres
organes, comme le cerveau ou le foie, ou même pénétrer à l’intérieur des cellules,
générant stress oxydatif et inflammation.

En 2008, des chercheurs chinois ont ainsi démontré que les nanoparticules de TiO2 sont capables de migrer dans le cerveau par le nerf olfactif, après avoir été instillées
dans le nez de souris de laboratoire. Fin 2011, une équipe française du Commissariat à l’énergie atomique (CEA) a confirmé que ces nanoparticules pouvaient endommager la barrière hémato-encéphalique qui isole le cerveau et le protège contre les substances toxiques présentes dans le sang.

Il y a quelques mois, des chercheurs de l’université Marshall, en Virginie occidentale, aux États-Unis, ont à leur tour découvert que les nanopoudres d’oxyde de cérium, largement utilisées dans les pots catalytiques ou pour polir le verre, endommagent le foie des souris lorsqu’elles en inhalent.

Denis Girard, de l’Institut Armand-Frappier, de l’INRS, à Laval, entend bien vérifier tout ça chez les humains. « Certaines nanoparticules peuvent causer des dommages à tous les organes, en accélérant la réponse inflammatoire », précise ce spécialiste des neutrophiles, ces globules blancs qui orchestrent la réaction inflammatoire. Il vient tout juste de démarrer un projet de recherche au cours duquel il va tester le sang de personnes exposées aux nanoparticules, pour voir si leurs neutrophiles réagissent de façon plus agressive lorsqu’on les met en présence de nanos.

Raymor-NanoIntegris produit des nanotubes de carbone mono-paroi (SWCNT) en grand volume.


Principe de précaution

Chez Raymor, à Boisbriand, on a pris les devants. Ne s’approche pas qui veut de l’enceinte en acier abritant le réacteur où sont produits les nanotubes. Les techniciens doivent d’abord entrer dans un sas, enfiler une combinaison, des gants et un masque qui leur donnent l’allure d’opérateurs de centrale nucléaire. « Nos locaux de production sont sous pression négative, ce qui retient contaminants à l'intérieur, et l'air qui y est pompé est entièrement filtré par des filtres qui retiennent 99,97% des nanoparticules », explique Mathieu Balmayer. Raymor travaille de concert avec l’Université de Sherbrooke pour mieux connaître la toxicité de ses nanotubes, et vient de faire un appel d’offre pour faire des évaluations en santé et sécurité dans l’usine.

Mais toutes les entreprises qui utilisent des nanos ne sont pas aussi transparentes. Les autres fabricants se sont montrés réticents aux visites, ou n’ont pas retourné nos appels. D’autres encore ne souhaitent pas s’étendre sur l’existence des risques. Au téléphone, la responsable des communications de CelluForce nous assure que les protections nécessaires pour la trentaine d’employés ont été mises en place dans l’usine, tout en expliquant que la nanocellulose ne présente aucun risque pour la santé. CelluForce a mené des tests préliminaires sur des micro-organismes avec l’Université d’Ottawa, et vient de financer une étude chez le rat, qui conclurait ainsi à l’absence de risque. Cependant, l’étude n’est pas accessible au public. « En réalité, il y a très peu d’études indépendantes qui ont évalué les effets de la nanocellulose », précise Maximilien Debia, chercheur au Département de santé environnementale et santé au travail à l’Université de Montréal, qui s’intéresse à la mesure du taux de nanoparticules dans l’air. Et de manière générale, peu d’études évaluent l’exposition chronique aux nanoparticules, qui est la plus inquiétante.

« De plus, la plupart des études de toxicologie ne sont pas effectuées en faisant inhaler des nanoparticules aux animaux, mais en les leur injectant dans la trachée ou l’abdomen, car il est difficile d’obtenir des nanoaérosols. Ces études sont donc difficilement transposables à l’homme », déplore de son côté Myriam Ricaud.

Manque de données

Actuellement, le manque de données scientifiques empêche d’établir des normes
acceptables d’exposition. Aux États-Unis, le National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) a toutefois fixé une limite d’exposition pour le TiO2
nanométrique, et s’apprête à le faire pour les nanotubes de carbone.

Quant aux autres molécules, le flou est total. Et pour cause, puisque même si l’on y mettait les moyens financiers, il faudrait près de 50 ans pour tester la toxicité de tous les nanomatériaux déjà commercialisés. Autant dire mission impossible. « Il faudra réussir rapidement à prédire la réactivité biologique d’une nanoparticule en se basant sur sa forme, sa solubilité, sa taille, sans avoir à les tester séparément », estime
Vincent Castranova, chef du département de recherche en pathologie et physiologie au NIOSH à Morgantown, en Virginie occidentale.

En attendant, la prudence s’impose. Au Québec, l’IRSST a publié dès 2006 un guide de bonnes pratiques à l’usage des entreprises pour leur permettre de protéger au mieux leurs employés. « Les quatre producteurs québécois de nanomatériaux, dont Raymor et CelluForce, sont bien sensibilisés aux dangers potentiels, mais ma crainte concerne plutôt les 200 ou 300 entreprises qui incorporent des nanoparticules dans leur produit final et qui ont très peu d’expérience dans la manipulation des particules fines », explique Claude Ostiguy.

D’ailleurs, au Québec, comme ailleurs dans le monde, on ne sait même pas quelles
sont ces entreprises, car elles préservent farouchement leur secret industriel. « Souvent, elles ne savent pas elles-mêmes qu’elles travaillent avec des nanos », ajoute Myriam Ricaud. Pour y remédier, l’IRSST conduit actuellement un inventaire dans la province pour mieux connaître ces entreprises « intégratrices » de nanos et mettre en place des actions d’information et de prévention.

De son côté, le laboratoire de Maximilien Debia s’est doté l’an dernier d’un spectromètre coûteux qui permet de déterminer les masses des différentes
nanoparticules présentes dans l’air. Il dispose aussi de compteurs numériques portatifs qui «aspirent» l’air ambiant et dénombrent les particules ultra-fines présentes. «Il n’y a toutefois aucune obligation légale de la part des entreprises d’évaluer l’exposition de leurs travailleurs aux nanoparticules », précise le jeune chercheur qui se heurte à la
méfiance des fabricants et peine à avoir accès aux usines. En outre, ces mesures sont difficiles à interpréter. « Il y a des nanoparticules partout dans l’air que nous respirons, attribuables à la pollution, aux barbecues, aux fumées», explique-t-il dans son petit bureau de l’université.

Pour appuyer ses dires, il allume son compteur. Celui-ci indique la présence de près de 5 000 nanoparticules par centimètre cube d’air. «Même lorsqu’on mesure un taux inhabituel de nanoparticules sur un lieu de travail, on ne sait pas vraiment si cela
représente un danger pour les employés. »

La bonne nouvelle, c’est qu’il existe des moyens efficaces pour se protéger. On peut utiliser des filtres qui arrêtent les nanomatériaux jusqu’à 1 nm, travailler sous des hottes, avec des masques.

Reste à combler le vide juridique. Début 2012, la France devrait se doter d’un décret obligeant les fabricants, les importateurs et les distributeurs à déclarer la nature et la quantité de « substances à l’état nanoparticulaire » qu’ils utilisent. L’an dernier, Claude Ostiguy a fait une demande de loi similaire au gouvernement du Canada, « afin que les entreprises intégratrices sachent qu’il y a des nanos dans les produits qu’elles achètent ». Pour l’instant, sa recommandation est restée lettre morte.

Mais le chimiste est optimiste. « Il ne faut pas diaboliser les nanoparticules. Au contraire, c’est la première fois dans l’histoire industrielle que l’on fait de la prévention avant qu’il y ait des dossiers de maladies professionnelles à la Commission de la santé et de la sécurité du travail. Le but est d’éviter d’avoir à déplorer un nouveau scandale sanitaire dans quelques années ». Quoi qu’il en soit, la révolution est en marche. « Les nanos sont source d’innovation et de compétitivité et l’on ne reviendra pas en arrière, affirme Benoît Balmana chez NanoQuébec. Tout le monde a donc intérêt à ce que leur développement se fasse sans prendre de risque ».



Crédit illustration: Vin Crespi / Penn State

 Voir le pdf du numéro de mars 2012.

 

Afficher tous les textes de cette section