De la science au minuscule
De la science au minuscule
par Lisa Tran [Translate]
La
nanotechnologie marque le début d’une nouvelle ère où, science dominante, elle s’imposera d’elle-même en classe.
Le « monde de la nanotechnologie », voilà une notion qui semble tout droit sortie de l’imagination des meilleurs écrivains de science-fiction. C’est un monde où les fenêtres se nettoient par elles-mêmes et où les matériaux sont plus durs que le diamant et plus forts que l’acier tout en étant beaucoup plus légers. Mais c’est un monde bel et bien réel que nous dévoile aujourd’hui Deb Newberry, physicienne nucléaire et nanotechnologue au Dakota County Technical College à Rosemount au Minnesota. Dans le livre dont elle est la coauteure, The Next Big Thing Is Really Small: How Nanotechnology Will Change the Future of Your Business, elle décrit la nanotechnologie comme « l’art et la science de la manipulation et de la restructuration des molécules et atomes pour créer des matériaux, des appareils et des systèmes efficaces ».
La nanotechnologie, ou nanoscience, s’appelle ainsi parce que les atomes et les molécules y sont minuscules, quelques nanomètres en fait, un nanomètre équivalant à un milliardième de mètre. Pour avoir une meilleure représentation, il suffit de comparer un cheveu humain avec les atomes de l’or. Un cheveu humain fait environ 7 000 nanomètres de largeur alors qu’il faut deux atomes d’or et demi pour obtenir un seul nanomètre. Si les atomes sont petits, la nanoscience fait, elle, dans le minuscule.
Tout scientifique assidu ne s’en tient pas qu’aux observations. En fait, les nanoscientifiques ont réussi à répliquer les structures atomiques de certains des matériaux les plus solides et les plus durables de la Terre et à les modifier pour former des structures particulièrement résistantes. De nombreux analystes extérieurs au milieu scientifique ont encensé la nanoscience et tout le potentiel qu’elle présente. Capitaliste de premier ordre, Steve Jurvetson de la société Draper, Fisher and Jurvetson croit que « la nanotechnologie est la prochaine vague technologique, le nec plus ultra de l’innovation scientifique qui révolutionne beaucoup d’industries et touche indirectement le tissu social. Les historiens de l’avenir considéreront l’ère à nos portes comme aussi importante que l’a été la révolution industrielle. »
La population en général n’est pas épargnée par la vague nanotechnologique : des dizaines et des dizaines d’années d’expériences ont donné vie à des produits de tous les jours qui abondent maintenant en magasin. L’équipement sportif en est un bon exemple. Dans un sport comme le tennis, les raquettes plus solides propulsent la balle plus loin, mais les matériaux durs sont très lourds. Un joueur de tennis n’utiliserait jamais de raquette en acier dur à moins que son objectif soit de se déplacer le plus lentement possible tout en portant une raquette lourde mais robuste. À l’aide de la nanotechnologie, cependant, les scientifiques peuvent fabriquer des raquettes plus solides et plus légères que les raquettes traditionnelles grâce à des matériaux innovateurs comme les nanotubes de carbone.
Toujours dans les sports, les nanoscientifiques ont aussi créé des balles de tennis à meilleur rebond. Les fibres des balles sont réduites à des nanomètres et ajoutées au revêtement extérieur. Elles sont si petites qu’elles se tissent mieux entre elles que les fibres ordinaires. Les nouvelles balles de tennis ont maintenant une surface plus uniforme. Cette surface permet à l’air de mieux contourner la balle et à la balle de rebondir plus longtemps.
De nombreuses applications nanotechnologiques ont été tout récemment incorporées dans la conception de produits cosmétiques. L’oxyde de zinc est par exemple l’ingrédient secret de la lotion solaire qui protège la peau des rayons ultraviolets du soleil. Les particules d’oxyde de zinc sont blanches, mais lorsqu’elles sont réduites à l’échelle nanométrique, elles deviennent transparentes. Nous pouvons maintenant nous procurer de la lotion solaire qui « n’a pas la même apparence que ce qu’on voit sur les sauveteurs, mais qui protège tout de même bien », précise Newberry sur un ton blagueur.
Étonnamment, la nanotechnologie peut même améliorer la qualité des aliments. « Je me souviens lorsque le yogourt faible en gras est arrivé sur le marché, lorsqu’il avait cette étrange texture liquide, dit Newberry. Le gras est un émulsifiant, il donne à la nourriture sa consistance lisse. » Donc, moins de gras équivaut à une texture plus rude. Pour remédier à la situation, les fabricants réduisent maintenant les particules de gras dans les produits faibles en gras. Les aliments restent donc faibles en gras, mais la nouvelle texture est plus lisse parce que le gras devient pratiquement invisible. Délicieux et nutritif.
La nanotechnologie est un milieu qui évolue sans cesse dans les grands laboratoires et les entreprises de fabrication. « Les découvertes sont incorporées dans des produits et des modes de fabrication et c’est ce qui créera une toute nouvelle catégorie d’emplois : les essais et l’assurance de la qualité dans les entreprises de fabrication », explique Newberry. Selon Dean Hart, de NanoInk, entreprise de nanotechnologie, la National Science Society estime qu’il faudra deux millions de nanotechnologues d’ici 2015. « Actuellement, il n’y en a que 20 000 dans le monde. La situation est alarmante : il faut plus de spécialistes en peu de temps », mais nous pouvons commencer par former les prochains nanotechnologues en enseignant la science aux élèves assoiffés de connaissances.
Dans la plupart des domaines scientifiques, la recherche est traditionnellement réservée aux instituts dont c’est la vocation. La nanoscience est différente en ce que les étudiants peuvent mener leur propre recherche et contribuer au bassin croissant de connaissances au moyen de leurs expériences. Les étudiants intéressés par la nanotechnologie ont potentiellement la chance de faire carrière dans ce qui les passionne. Les étudiants en nanoscience peuvent commencer à se spécialiser aussi tôt qu’à l’école secondaire. Pour le milieu de l’éducation, c’est certes l’intérêt durable pour la science, la technologie, le génie et les mathématiques que suscite la nanotechnologie chez les jeunes qui demeure le plus grand avantage.
L’enseignement de la nanoscience est souvent excessivement complexe, mais nul besoin actuellement de créer un tout nouveau cours. Newberry suggère qu’« on étoffe ou modifie légèrement les plans de cours pour y inclure les concepts de nanotechnologie. » Elle a acquis de l’expérience dans l’enseignement de la nanotechnologie à des jeunes lors d’un camp d’été annuel pour les élèves du secondaire au Dakota County Technical College.
L’incorporation de la nanotechnologie aux programmes scolaires en sciences peut être relativement simple comme en témoignent les exemples ci-dessous.
Chimie
Si vous faites un laboratoire où on fait bouillir et mélange des substances pour former des précipités, il suffit d’ajouter une étape à l’expérience. Pas besoin d’en créer une autre! Il suffit de remplacer les produits chimiques par d’autres tout aussi faciles à obtenir. Les élèves peuvent alors choisir une solution qui contient déjà de l’or, séparer les atomes d’or et les regrouper. Ils créeront alors des nanoatomes d’or et obtiendront au final une solution rouge qui, lorsqu’on y ajoute du sel, devient grise parce qu’on change la taille des particules. « Les élèves créeraient ainsi des nanoparticules d’or au lieu de cette matière blanchâtre qui s’accumule au fond d’une éprouvette, explique Newberry. À l’aide d’un microscope, ils observeront le résultat et comprendront qu’ils ont fabriqué de l’or sans faire d’alchimie! »
Physique
Lorsque les élèves étudient la vitesse, l’exemple classique est celui de l’eau qui coule d’un tuyau de jardin. Ils doivent alors calculer la vitesse de l’eau et déterminer où tombera le jet. Les enseignants ont la possibilité d’ajouter une autre étape et de demander aux élèves d’observer le mouvement du fluide si on attachait une paille au tuyau. Ainsi, on montre aux élèves la notion de circulation de fluides dans des tubes capillaires. « Ce ne sont pas des atomes de taille nanométriques, mais c’est tout comme », explique Newberry. Les élèves réfléchissent ainsi au mouvement des fluides à une échelle microscopique.
Les possibilités de mise en pratique abondent dans le processus d’apprentissage d’un élève en sciences. En effet, les élèves sont stimulés lorsqu’ils sont actifs dans leur apprentissage. La nanotechnologie est donc idéale en classe parce que ses applications sont nombreuses, mais c’est là chose plus facile à dire qu’à faire. Heureusement, ceux qui évoluent dans le milieu de la nanotechnologie veulent faire connaître leur science à un large public, y compris le milieu de l’éducation.
La nanomachine, un outil important de la nanoscience, exige habituellement une salle blanche pour bien fonctionner, une salle qui « peut facilement coûter de 80 à 100 millions de dollars à construire et à entretenir. Qui peut se le permettre?, se plaint Hart. Nous devons trouver un moyen d’introduire des outils dans les salles de classe. » Et c’est exactement pour cette raison que NanoInk a conçu la NanoProfessor Suite. C’est à la fois un équipement et un programme scolaire pour les écoles secondaires sans nécessité de salle blanche. Tout ce dont on a besoin pour enseigner la nanoscience se trouve dans la trousse : le NLP 2000, une nanomachine de table; un microscope de force atomique qui permet de voir les matériaux solides et un microscope à fluorescence qui permet de voir les matières biologiques comme l’ADN, les virus et les bactéries. On y trouve aussi un manuel complet, tout le matériel nécessaire pour mener des expériences en laboratoire; des ressources didactiques comme des évaluations, des stades de progrès, des guides et des présentations; des notes et, le plus important, des explications sur l’équipement, le programme scolaire et les laboratoires. Tout ce qui manque, c’est vous.
Les progrès de la nanotechnologie ont été minés par le manque d’équipement à la fine pointe, mais dès que de nouvelles machines ont été mises au point, les scientifiques se sont mis immédiatement à la tâche dans leur spécialité respective. Bien que la nanoscience en soit encore au stade de recherche, ses applications ont eu des effets concrets pour les consommateurs et les entreprises de fabrication, et les conseils scolaires devraient bientôt emboîter le pas. La nanotechnologie modifie le visage de la science, la manière dont nous vivons et le monde dans lequel nous vivons. Nous sommes maintenant capables d’améliorer nos machines et nos matériaux en les rendant plus robustes, plus rapides, plus efficaces et plus petits. Aucun secteur d’activité n’y échappera. Et pour la première fois, les enseignants ne seront pas les grands oubliés. Les nanotechnologues veulent que le milieu de l’éducation soit au diapason de la révolution technologique. Fini le Moyen Âge! Avec les bonnes ressources entre les mains, nous sommes en mesure de guider les élèves dans la nouvelle aventure scientifique qui les attend et de leur trouver une place qui leur conviendra dans cette ère de renouveau.
Pour obtenir de plus amples renseignements, consultez les liens suivants :
Dakota County Technical College