Dossier Pédagogique "nanomondes Au Coeur De L'infiniment Petit"

Expo Nanomondes

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Une nouvelle dimension Un nanomètre, c’est un millionième de millimètre. A cette échelle, les dimensions des molécules et des atomes varient de manière gigantesque. Une cellule, pourtant invisible à l’œil humain sans microscope, mesure ainsi plusieurs milliers de nanomètres. Entrez dans le monde de l’invisible ! La culture des nanomondes Entre science et fiction, les artistes ont imaginé les nanomondes avant que les scientifiques ne puissent les observer. Quelle imagination ! Les outils d’exploration Aujourd’hui des outils de plus en plus performants, pour voir, analyser et manipuler la matière à l’échelle nanométrique. Etonnantes images de la recherche ! Les applications des nanotechnologies Les nanostructures confèrent aux matériaux des propriétés particulières. Des applications concernent aujourd’hui tous les secteurs d’activité, la médecine, l’informatique et les matériaux ! Que se passe-t-il en Aquitaine et dans le monde ? La mise en perspective Comme toutes les avancées scientifiques majeures, la révolution à venir des sciences de l’invisible suscite tout à la fois peur, crainte, espoir et fascination. Voici des clés pour exercer son devoir de citoyen ! NANOZOOM plus petits que des confettis / point par point / petites billes, grandes surfaces, NANOLAB des mégamanips, NANOTUBE si solide et si léger, MAXIDEBAT connaître et discuter. Une Coproduction de la Casemate (Grenoble), Cap Sciences (Bordeaux) et La Cité des sciences et e l’industrie (Paris). Avec le concours du CNRS, de l’INERIS, du CEA, d’ARKEMA.

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Invisibles, donc mystérieux et intrigants les nanomondes stimulent peurs et fantasmes ancestraux. Ils combinent science et imaginaire. Entrez dans le monde des atomes et des molécules, monde de l'infiniment petit où l'on travaille à une échelle 30 000 fois plus petite que l’épaisseur d'un cheveu ! Découvrez les nouveaux outils qui permettent aux chercheurs de voir et de manipuler l’invisible, explorez la diversité des applications actuelles ou futures des nanotechnologies. Aujourd’hui, laboratoires et entreprises construisent des composants toujours plus petits pour concevoir des matériaux nouveaux et révolutionnaires qui entrent pas à pas dans notre vie quotidienne. La société de demain en sera-t-elle bouleversée ? Films, quiz, manipulations, jeux, images ... pour mieux comprendre et expérimenter, les nanomondes. Une exploration inédite, ludique et interactive au cœur de l’infiniment petit !

Expo Nanomondes

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Au cœur de l’infiniment petit Changer d’échelle de référence. Face à des objets aux proportions inhabituelles le visiteur est contraint de relativiser les échelles de son environnement quotidien. En traversant une ligne de « cheveux », il est transporté à l’échelle du millimètre : un insecte. Il prend conscience des différences de taille en observant des objets nanométriques agrandis à notre mesure ! Cette immersion est un voyage sensoriel dans le monde atomique. Flou quantique, liaisons atomiques, babyfoot atomique, mouvement brownien. Vivre la science en train de se faire. L’homme s’intéresse depuis très longtemps à l’infiniment petit, mais l’observation et la manipulation à cette échelle sont très récentes. Le visiteur est invité à découvrir les outils mis en oeuvre pour manipuler les atomes : microscope à effet tunnel, à force atomique, méthodes actuelles de fabrication d’objets nanométriques. Il découvre comment des chercheurs de différentes disciplines, travaillent aux mêmes niveaux d’échelles. Nanomanipulateur à retour d’effort, briques Lego, gant aimanté, usine moléculaire. Ils sont déjà parmi nous ! Les nanotechnologies sont utilisées par l’homme depuis longtemps, de façon empirique. Certaines applications sont déjà dans la vie de tous les jours : produits cosmétiques, pneumatiques, peintures anti-rayures, vitres auto-nettoyantes, raquettes de tennis… Le visiteur découvre aussi l’usage fait dans la nature des propriétés des nanostructures chez le papillon Morpho Cypris bleu, le gecko et le lotus. Quel HomoTechnicus êtes-vous ? Testez-vous ! L’avenir a–t-il besoin de nous ? Les sciences et techniques sont aussi les produits d’une culture, comme d’autres avant elles, elles réactivent un imaginaire parfois ancestral et génèrent à la fois peurs et espoirs. Les nanotechnologies posent cependant de vraies questions en termes de risques potentiels pour la santé et pour l’environnement. Le débat est ouvert. Le visiteur a le choix de consulter des points de vue contradictoires, de peser ainsi les arguments de chaque expert et d’émettre sa propre opinion. A travers la science-fiction, il peut mettre en perspective les discours fantasmatiques qui accompagnent la recherche en nanosciences. Quels risques potentiels ? Quelles précautions ? Quelles questions éthiques ? Quelles nouvelles relations entre Sciences et Société ? Aquitaine nano. Des interviews diffusées sur des bornes audio de différents spécialistes régionaux et de domaines bien particuliers des nanos : les nanotubes de carbone, les nanovecteurs, les nanomatériaux, … vous accompagneront sur une partie de votre parcours de visite. Et focus sur la fabrication industrielle des nanotubes de carbone et ses applications. Culture nano. La fascination des hommes pour l’infiniment petit ne date pas d’hier, comme en témoignent bon nombre d’ouvrages, de films, d’œuvres d’art, et même de pièces de théâtre ou musicales. Petit tour dans la science-fiction et l’imaginaire des hommes. Tout au long de la visite, films, témoignages, manipulations, expériences, tests et jeux, images et objets, dans une scénographie inédite.

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L’EXPO

Expo Nanomondes

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Nanozoom Plus petits que des confettis Quelle est l’échelle du nanomonde ? Est-il facile de l’explorer ? Disposons-nous d’outils aussi petits ? Jusqu’où peut on découper quelque chose ? Arriverez vous à fabriquer un bout de papier de 1 nm? Venez relever le défi ! Point par point Est-il possible d’assembler les atomes un par un à l’échelle nanométrique ? C’est la technique de « bas en haut ». Petites billes, grandes surfaces A l'échelle nano la matière a des propriétés particulières. Par exemple, pour un même volume, la matière constituée de particules nanométriques est beaucoup plus réactive. Par exemple, le sucre glace se dissout plus rapidement que le sucre semoule. Pourquoi ? Faites la démonstration !

Nanolab Quelles techniques permettent aujourd’hui de fabriquer des produits issus des nanotechnologies ? Verre, Céramique, Béton, Bois, Pierre, textile, plastique… voient leurs propriétés changer. Manipulez et testez ces objets étonnants ! D’autres, à l’état de recherche, bouleversent notre conception classique du monde macroscopique ! Découvrez les ferrofluides !

Nanotube Mille fois plus petits qu’un globule sanguin, le nanotube de carbone a conquis l’industrie. Mais à quoi ressemble-t-il ? Pourquoi est-il si solide et pourtant si léger ? Quelle est son organisation moléculaire ? Fabriquez une maquette d’un nanotube.

Structure d’un nanotube de carbone

Maxidébat Comme toute technologie révolutionnaire telle la vapeur ou l’électricité en leur temps, les propriétés particulières des nanotechnologies font débat. Développement, limitation, réglementation, information et consultation… Discutez avec nous et entre vous !

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LES ATELIERS

Expo Nanomondes

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Primaire •

T H E M E S

Grandeurs et mesures, les longueurs. • Les êtres vivants dans leur environnement. • La matière, mélanges et solutions. • Situer dans le temps les découvertes scientifiques ou techniques.

Visite de 2h • Nanolab • Plus petits que des confettis / Point par point A T E L I E R S

Collège •

Grandes innovations scientifiques et technologiques. • Grandeurs et mesures, les longueurs. • Caractéristiques du vivant. • Technologie : fonctionnement, évolution et réalisation d’un objet technique. • Construire une première représentation globale, cohérente et rationnelle du monde et l’universalité des lois qui le structurent. • La couleur des objets. • Chimie : science de la transformation de la matière, atomes et molécules.

Visite de 2h • Nanolab • Plus petits que des confettis / Petites billes, grandes surfaces

Visite journée (ateliers supplémentaires) • •

Nanotube Maxidébat

Lycée •

Chimie : mise en évidence de l’ubiquité des espèces chimiques, synthèse. • Constitution de la matière, de l’atome aux édifices chimiques. • Interactions et cohésion de la matière à diverses échelles. • Magnétisme et forces électromagnétiques. • La citoyenneté et les évolutions des sciences et des techniques, enjeux actuels des biotechnologies.

Visite de 2h • Nanolab • Nanotube

Programme journée sur demande (2 choix possibles)

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Les thèmes et les ateliers de l’expo en plus des zones de visite

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Expo Nanomondes NANOZOOM Plus petits que des confettis

Point par point

Niveau : CM1 – Collège

Niveau : CM1 – 6ème

Thème : Fabriquer un objet

Thème: La technique du bas en haut.

nanométrique.

Durée : 10 minutes

Durée : 10 minutes Objectifs pédagogiques : -

Se rendre compte de la difficulté à fabriquer des objets nanométriques.

-

Expérimenter les limites de nos outils macroscopiques dans les manipulations des nanomondes.

Objectif pédagogique : -

Savoir que la matière est constituée d’éléments extrêmement petits, les molécules, elles-mêmes étant des assemblages d’éléments encore plus petits, les atomes.

Descriptif de l’activité :

Descriptif de l’activité :

Il est impossible de fabriquer des objets micrométriques et nanométriques en partant d’objets macrométriques. De plus, il faut des instruments spécifiques pour les manipuler. A l’heure actuelle, les instruments utilisés sont plus gros que les objets manipulés. Pour comprendre cette impossibilité, prenons conscience que quand on manipule de tous petits objets, nos doigts ont vite une taille colossale ! C’est un peu comme coudre avec des gants de boxe ! Un exemple concret pour comprendre la difficulté à obtenir et à manipuler de si petits objets est de prendre une feuille de papier de 1 cm de large et de la couper en deux autant de fois qu’il le faut pour obtenir une bande de 1 nm de large. Les élèves vont tenter de réaliser ce défi.

Cette activité est une approche simple pour illustrer la constitution de la matière. La matière dont nous parlons, papier, cheveux etc… est constituée d’éléments extrêmement petits : les molécules, ellesmêmes étant des assemblages d’éléments encore plus petits les atomes. Pour fabriquer un objet, par exemple une pierre taillée à partir d’un silex brut, ou une allumette à partir d’un arbre on utilise la technique du haut en bas. Pour les nanotechnologies, les hommes tentent de fabriquer des objets à partir de briques élémentaires (technique du bas en haut): atome par atome, ce qui pour le moment prend énormément de temps. Pour illustrer cette technique, les élèves vont devoir colorier un carré en faisant uniquement des points.

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Ateliers

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Expo Nanomondes Petites billes, grandes surfaces Niveau : à partir du CM1 ème

Niveau : 5

ème

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Thème : L’effet de taille.

Thème : Les propriétés visibles d’objets ou de surfaces nanométriques.

Durée : 10 minutes

Durée : 20 minutes

Objectif pédagogique :

Objectifs pédagogiques :

-

Découvrir que les propriétés des

-

Découvrir que les avancées

matériaux peuvent varier en

technologiques s’inspirent parfois

fonction de la taille des particules.

des propriétés observées dans la nature.

Descriptif de l’activité : Aux très petites échelles, de nouveaux phénomènes apparaissent comme par exemple l’effet de taille. En effet, pour des billes, plus la taille diminue, plus le rapport surface / volume augmente, conférant ainsi aux matériaux des capacités d’échange et de réactivité exceptionnelles. C’est ainsi que le sucre glace se dissout plus rapidement que le sucre semoule. Cette activité a pour but d’illustrer qu’à masse égale, des billes de diamètres différents vont occuper d’autant plus de surface qu’elles sont plus petites. Nous disposons de billes de 3 et 10 mm de diamètre. Un poids égal de chaque type de billes est préparé. On va comparer la surface occupée par les deux types de billes. Les billes de petit diamètre occupent une surface plus importante que les billes de plus grand diamètre. Cette propriété est utilisée dans les nanopoudres.

-

Manipuler des matériaux nanotraités.

-

Observer les propriétés des nanoparticules.

Descriptif de l’activité : Cette activité a pour but de montrer des exemples d’applications des nanotechnologies dans des objets de la vie quotidienne. Les scientifiques développent des revêtements nanomodifiés inspirés du monde végétal. Ils ont en effet observé que les feuilles de lotus ne se mouillaient pas et restaient propres même dans un environnement boueux. Cette activité permet d’illustrer cette nouvelle propriété. Des tests sur différents matériaux et des jeux sont au programme. Le nanolab permet aussi de découvrir les propriétés des ferrofluides et des nanoparticules d’or.

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NANOLAB

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Expo Nanomondes NANOTUBE

MAXIDEBAT

Niveau : à partir de la 5ème

Niveau : à partir de la 5ème

Thème : Construire un nanotube de

Thème : Débat autour des nanotechnologies.

carbone ou une molécule de fullerène. Durée : 40 minutes ou 1h20 Durée : 20 ou 40 minutes Objectifs pédagogiques : Objectif pédagogique :

-

Participer à un débat de manière constructive : écouter et prendre

-

Découvrir un nano-objet et ses

en compte ce qui a été dit,

propriétés particulières.

exprimer et justifier un accord ou

Descriptif de l’activité :

un désaccord, respecter les règles

Le nanotube de carbone et le fullerène sont des structures artificielles mises en évidence dans les années 1991 et 1985 respectivement. Ce sont des structures très simples à réaliser sous forme de modèles moléculaires. Le nanotube de carbone a des propriétés surprenantes car il est 100 fois plus résistant et 6 fois plus léger que l’acier. Il peut être utilisé dans de nombreux matériaux (exemple : raquette de tennis). Le diamètre d’un nanotube de carbone est de l'ordre du millionième de millimètre. Cette valeur est réellement difficile à appréhender pour l'esprit humain, mais pour la comprendre, il suffit de se dire qu'un nanotube de carbone d'une longueur équivalent à la distance Terre-Lune, enroulé sur lui-même, occuperait le volume qu'un pépin d'orange. L’activité consiste à construire par binôme un nanotube de carbone par assemblage de pièces représentant le carbone et la liaison entre les carbones.

habituelles de la communication. -

Découvrir

des

points

de

vue

variés. -

Rechercher un terrain d’entente.

-

Apprécier la diversité des opinions.

Descriptif de l’activité : Comme toute technologie révolutionnaire telle la vapeur ou l’électricité en leur temps, les propriétés particulières des nanotechnologies font débat. Développement, limitation, réglementation, information et consultation… Grâce à différents personnages, les élèves vont explorer des points de vue, soulever des questions, clarifier des réflexions personnelles. Les techniques du jeu de rôle et du débat sont utilisées pour faire réagir les élèves.

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B.O. hors série n°3 du 19 juin 2008. Français - Écouter et prendre en compte ce qui a été dit. Langage oral : - Questionner afin de mieux comprendre. Échanger, débattre - Exprimer et justifier un accord ou un désaccord, émettre un point de vue personnel motivé. - Demander et prendre la parole à bon escient. - Réagir à l’exposé d’un autre élève en apportant un point de vue motivé. - Participer à un débat en respectant les tours de parole et les règles de la politesse. - Participer aux échanges de manière constructive : rester dans le sujet, situer son propos par rapport aux autres, apporter des arguments, mobiliser des connaissances, respecter les règles habituelles de la communication. Maîtrise du sens des mots Etude de la langue française : vocabulaire - Utiliser le contexte pour comprendre un mot inconnu. Mathématiques Principes de la numération décimale de position : valeur des Nombres et calculs : chiffres en fonction de leur position dans l’écriture des nombres ; Les nombres entiers - Désignation orale et écriture en chiffres et en lettres. naturels Les longueurs, les masses, les volumes : mesure, estimation, Grandeurs et mesures unités légales du système métrique. Sciences expérimentales et technologie - Développer la curiosité, la créativité, l’esprit critique et l’intérêt pour le progrès scientifique et technique. - Etre responsable face à l’environnement, au monde vivant, à la santé. L’élève doit-être capable de : - Pratiquer une démarche d’investigation : savoir observer, questionner; - Manipuler et expérimenter, formuler une hypothèse et la tester, argumenter; - Mettre à l’essai plusieurs pistes de solutions; - Exprimer et exploiter les résultats d’une mesure ou d’une recherche en utilisant un vocabulaire scientifique à l’écrit et à l’oral; - Maîtriser des connaissances dans divers domaines scientifiques; - Mobiliser ses connaissances dans des contextes scientifiques différents et dans des activités de la vie courante. Les êtres vivants dans L’adaptation des êtres vivants aux conditions du milieu. leur environnement Mélanges et solutions. La matière L’autonomie et l’initiative L’élève doit-être capable de : - respecter des consignes simples en autonomie ; - montrer une certaine persévérance dans toutes les activités ; - commencer à savoir s’auto-évaluer dans des situations simples ; - s’impliquer dans un projet individuel ou collectif.

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CYCLE DES APPROFONDISSEMENTS – CM1, CM2

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Bulletin officiel spécial n° 6 du 28 août 2008 Français - Réutiliser ses connaissances pour mieux comprendre les textes lus. - Acquérir une culture que l’environnement social et médiatique quotidien ne suffit pas toujours à construire. - Réfléchir sur la place de l’individu dans la société et sur les faits de civilisation. - Découvrir et étudier différentes formes de langage : celui de l’information, de la publicité, de la vie politique et sociale. - Etre des lecteurs autonomes. - Susciter le goût et le plaisir de lire. Mathématiques Nombres et Calculs, - Connaître et utiliser la valeur des chiffres en fonction de leur Nombres entiers et rang dans l'écriture d'un entier ou d'un décimal. décimaux - Se familiariser avec l’usage des grandeurs les plus courantes Grandeurs et mesure (longueurs). Compétences transversales - Développer ses compétences à expliquer, argumenter, justifier, à communiquer avec le professeur et/ou les autres élèves en sachant écouter et respecter les différents avis émis dans la classe. - Développer la capacité des élèves à lire et utiliser les images (tableaux, graphiques, schémas, cartes, images de synthèses, photographies …). - Se situer dans le temps et dans l’espace. - Acquérir une culture humaniste. - Développer sa responsabilité face à la santé et à l’environnement, ce qui constitue des occasions de développer son esprit d’initiative. - Apprentissage de l’autonomie et l’initiative. Sciences Objectifs scientifiques - Adopter une attitude raisonnée fondée sur la connaissance et développer un comportement citoyen responsable vis-à-vis de l’environnement (préservation des espèces, gestion des milieux et des ressources, prévention des risques) et de la vie (respect des êtres vivants, des hommes et des femmes dans leur diversité). - Sensibiliser les élèves au respect nécessaire de règles élémentaires de sécurité. Méthodologie Scientifique Démarche d’investigation : - Observer des phénomènes perceptibles à différentes échelles d’organisation. - Eprouver des hypothèses explicatives et de développer l’esprit critique. Sciences de la vie et de la Terre - Analyser certaines applications biotechnologiques. - Adopter une attitude raisonnée et responsable vis-à-vis des composantes de leur cadre de vie, en cohérence avec les objectifs de l’éducation au développement durable.

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CLASSE DE 6ème

Expo Nanomondes

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Technologie Analyser des produits (objets techniques peu complexes) pour comprendre les besoins essentiels ou créés auxquels ils répondent, leur constitution et leur fonctionnement. Savoir que la conception et la réalisation des produits prennent appui sur des avancées technologiques et des fondements scientifiques qui s’alimentent mutuellement et contribuent à la recherche permanente de l’innovation. Comprendre les interactions entre les produits et leur environnement dans un monde où l’ergonomie, la sécurité et l’impact environnemental sont devenus déterminants. Situer les évolutions technologiques dans la chronologie des découvertes et des innovations et dans les changements de la société.

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Expo Nanomondes

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Bulletin officiel spécial n° 6 du 28 août 2008 Français Réutiliser ses connaissances pour mieux comprendre les textes lus. Acquérir une culture que l’environnement social et médiatique quotidien ne suffit pas toujours à construire. - Réfléchir sur la place de l’individu dans la société et sur les faits de civilisation. - Découvrir et étudier différentes formes de langage : celui de l’information, de la publicité, de la vie politique et sociale. - Etre des lecteurs autonomes et susciter le goût et le plaisir de lire.. Compétences transversales - Entraîner à une argumentation utilisant un vocabulaire bien défini. - Développer la pensée logique : formuler des hypothèses et les confronter aux faits. - Rechercher l’information utile, l’analyser, la hiérarchiser, mettre en relation les acquis et les mobiliser. - Acquérir des compétences sociales et civiques. Sciences Objectifs scientifiques - Développer des éléments de culture scientifique indispensables dans le monde contemporain. - Former les esprits à la rigueur, à la méthode scientifique, à la critique et à l’honnêteté intellectuelle. - Former au raisonnement, tant quantitatif que qualitatif. - Ouvrir sur les techniques, motiver la recherche. - Prolonger les apports des sciences dans la préparation et l’éducation aux choix d’orientation. - Susciter des vocations scientifiques. Méthodologie Scientifique - En réponse à une situation-problème, proposer un protocole expérimental à partir d’une liste de matériel permettant de répondre à la question. - Développer l’autonomie, la responsabilité et la créativité dans le domaine des sciences. Physique - Chimie Mélanges homogènes et hétérogènes : faire la distinction à l’œil Mélanges aqueux nu entre un mélange homogène et un mélange hétérogène. Technologie - Savoir que la conception et la réalisation des produits prennent appui sur des avancées technologiques et des fondements scientifiques qui s’alimentent mutuellement et contribuent à la recherche permanente de l’innovation. - Comprendre les interactions entre les produits et leur environnement dans un monde où l’ergonomie, la sécurité et l’impact environnemental sont devenus déterminants. - Situer les évolutions technologiques dans la chronologie des découvertes et des innovations et dans les changements de la société. - Etude des procédés de réalisation. - Conception en fonction de contraintes techniques et socioéconomiques liées au cycle de vie du produit. La communication et la Identifier les sources (auteur, date, titre, lien vers la ressource). gestion de l’information -

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CLASSE DE 5ème

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Bulletin officiel spécial n° 6 du 28 août 2008 Français - Réutiliser ses connaissances pour mieux comprendre les textes lus. - Acquérir une culture que l’environnement social et médiatique quotidien ne suffit pas toujours à construire. - Réfléchir sur la place de l’individu dans la société et sur les faits de civilisation. - Découvrir et étudier différentes formes de langage : celui de l’information, de la publicité, de la vie politique et sociale. - Etre des lecteurs autonomes. - Susciter le goût et le plaisir de lire. - Utiliser un vocabulaire de plus en plus riche. Compétences transversales - Eduquer à la santé, à l’environnement et à la citoyenneté. - Acquérir des capacités liées à la maîtrise des technologies usuelles de l’information et de la communication. - Développer de l’autonomie et de l’initiative de l’élève. - Eduquer aux choix d'orientation. Sciences Objectifs scientifiques - Développer chez l’élève, une plus grande prise de conscience à l’égard de la santé et de l’environnement pour permettre de densifier l’éducation à la responsabilité amorcée aux niveaux précédents. - Enrichir les attitudes que sont d’une part la conscience des implications éthiques de certains progrès scientifiques, d’autre part la responsabilité face à l’environnement, au monde vivant et à la santé. - Renforcer l’approche au mode de pensée expérimental. Méthodologie Scientifique - Exprimer et exploiter des résultats des recherches. Physique - Chimie Une description moléculaire pour comprendre, l’existence De l’air qui nous entoure à de la molécule. la molécule Utiliser une représentation adaptée : coder, décoder pour Les atomes pour écrire les formules chimiques. [Les atomes sont comprendre la représentés par des symboles, les molécules par des transformation chimique formules (O2, H2O, CO2, C4H10 et/ou CH4).] Technologie - Savoir que la conception et la réalisation des produits prennent appui sur des avancées technologiques et des fondements scientifiques qui s’alimentent mutuellement et contribuent à la recherche permanente de l’innovation. - Comprendre les interactions entre les produits et leur environnement dans un monde où l’ergonomie, la sécurité et l’impact environnemental sont devenus déterminants. - Situer les évolutions technologiques dans la chronologie des découvertes et des innovations et dans les changements de la société.

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CLASSE DE 4ème

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Bulletin officiel spécial n° 6 du 28 août 2008 Français - Réutiliser ses connaissances pour mieux comprendre les textes lus. - Acquérir une culture que l’environnement social et médiatique quotidien ne suffit pas toujours à construire. - Réfléchir sur la place de l’individu dans la société et sur les faits de civilisation. - Découvrir et étudier différentes formes de langage : celui de l’information, de la publicité, de la vie politique et sociale. - Etre des lecteurs autonomes. - Susciter le goût et le plaisir de lire. Compétences transversales - Développer l’autonomie et l’initiative de l’élève. - Rechercher l’information utile, l’analyser, la trier, la hiérarchiser, l’organiser, la synthétiser. - Développer une argumentation et prendre un recul suffisant afin d’améliorer la vie en société (respect de soi, respect des autres). - Se préparer à la vie de citoyen (faire preuve de jugement et d’esprit critique, savoir construire son opinion personnelle). Sciences Objectifs scientifiques - Développer des éléments de culture scientifique indispensables dans le monde contemporain. - Former les esprits à la rigueur, à la méthode scientifique, à la critique et à l’honnêteté intellectuelle. - Former au raisonnement, tant quantitatif que qualitatif. - Ouvrir sur les techniques. - Motiver la recherche. - Prolonger les apports des sciences à la préparation et à l’éducation aux choix d’orientation. - Susciter des vocations scientifiques. - Mettre à profit l’attitude d’esprit curieux et ouvert, développée dans les classes précédentes. - Permettre aux élèves d’argumenter à partir de bases scientifiques sur différents thèmes de société. Méthodologie Scientifique - Développer les capacités d’observation et de réflexion parallèlement aux aptitudes expérimentales. - Développer l’autonomie, la responsabilité et la créativité dans le domaine des sciences. Sciences de la Vie et de la Terre Responsabilité humaine en Discuter sur des bases scientifiques de la responsabilité de l’Homme quant aux conséquences de ses activités sur matière de santé et l’environnement à l’échelle de la planète. d’environnement

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CLASSE DE 3ème

Expo Nanomondes

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Physique - Chimie L’ion, comprendre la conduction électrique dans les solutions aqueuses.

Technologie Savoir que la conception et la réalisation des produits prennent appui sur des avancées technologiques et des fondements scientifiques qui s’alimentent mutuellement et contribuent à la recherche permanente de l’innovation. Comprendre les interactions entre les produits et leur environnement dans un monde où l’ergonomie, la sécurité et l’impact environnemental sont devenus déterminants. Situer les évolutions technologiques dans la chronologie des découvertes et des innovations et dans les changements de la société.

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La chimie, science de la transformation de la matière

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Expo Nanomondes

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Seconde Français Acquérir des savoirs, se construire une culture, se former personnellement et en tant que citoyen. Compétences transversales - Trier des informations. Sciences - B.O HS N°2 du 30 août 2001 Objectifs Disciplinaires - Aimer, s'intéresser aux sciences. - Apporter les éléments de connaissance et plus largement de culture permettant de saisir les enjeux éthiques et sociaux auxquels est confronté le citoyen de notre temps. - Comprendre la démarche intellectuelle, l’évolution des idées. - Construction progressive du corpus de connaissances scientifiques. - Acquérir une culture scientifique élémentaire, une culture de base dans un domaine de la connaissance indispensable à la compréhension du monde qui nous entoure. - Inciter certains élèves à s'orienter vers les filières à dominante scientifique et à choisir plus tard des métiers liés aux sciences et aux technologies. - Faire apparaître les liens entre l'activité scientifique et le développement technologique qui conditionne notre vie quotidienne. - Pousser l'élève à se poser des questions. - Utiliser un vocabulaire scientifique. Sciences de la Vie et de la Terre La cellule fonde l'unité et la diversité du vivant. Biologie : Cellule, ADN et Les cellules sont les unités structurales et fonctionnelles de unité du vivant tous les êtres vivants. Chimie Outils de description d’un système : Savoir qu’une solution Transformation de la peut contenir des molécules ou des ions. matière Education civique, juridique et sociale- B.O HS N°6 du 29 août 2002 Placer l'élève en situation de responsabilité Le débat argumenté - Construire un débat sérieux sur un sujet social Utiliser et traiter l'actualité en mettant en évidence une dimension de la classe citoyenneté. - Repérer et analyser les interprétations divergentes et contradictoires. -

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LYCEE

Expo Nanomondes

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Compétences transversales Trier des informations. Sciences - B.O HS N°7 du 31 août 20007 du 31 août 2000 Objectifs Disciplinaires - Aimer, s'intéresser aux sciences. - Apporter les éléments de connaissance et plus largement de culture permettant de saisir les enjeux éthiques et sociaux auxquels est confronté le citoyen de notre temps. - Comprendre la démarche intellectuelle, l’évolution des idées. - Construction progressive du corpus de connaissances scientifiques. - Acquérir une culture scientifique élémentaire, une culture de base dans un domaine de la connaissance indispensable à la compréhension du monde qui nous entoure. - Inciter certains élèves à s'orienter vers les filières à dominante scientifique et à choisir plus tard des métiers liés aux sciences et aux technologies. - Faire apparaître les liens entre l'activité scientifique et le développement technologique qui conditionne notre vie quotidienne. - Pousser l'élève à se poser des questions. - Utiliser un vocabulaire scientifique. Chimie Série S Apprendre à lire une formule Reconnaître une chaîne carbonée saturée linéaire ou non. chimique Interactions et cohésion de la matière à l’échelle atomique Les interactions et humaine : l’interaction électromagnétique à l’échelle des fondamentales atomes, des molécules et de la matière à notre échelle. Être capable de donner une définition de l’énergie de L’énergie au quotidien : la cohésion de la matière et les liaison. aspects énergétiques de ses transformations Education civique, juridique et sociale- B.O HS N°6 du 29 août 2002 S'exprimer et débattre à propos de questions de société. -

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Première

Expo Nanomondes

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Compétences transversales Trier des informations. Sciences - B.O HS N°2 du 30 août 2001 Objectifs Disciplinaires - Aimer, s'intéresser aux sciences. - Apporter les éléments de connaissance et plus largement de culture permettant de saisir les enjeux éthiques et sociaux auxquels est confronté le citoyen de notre temps. - Comprendre la démarche intellectuelle, l’évolution des idées. - Construction progressive du corpus de connaissances scientifiques. - Acquérir une culture scientifique élémentaire, une culture de base dans un domaine de la connaissance indispensable à la compréhension du monde qui nous entoure. - Inciter certains élèves à s'orienter vers les filières à dominante scientifique et à choisir plus tard des métiers liés aux sciences et aux technologies. - Faire apparaître les liens entre l'activité scientifique et le développement technologique qui conditionne notre vie quotidienne. - Pousser l'élève à se poser des questions. - Utiliser un vocabulaire scientifique adapté. - Identifier les paramètres jouant un rôle dans un phénomène physique ou chimique. - Elaborer une argumentation. - Discuter la pertinence, la cohérence et la logique d’une argumentation scientifique. - Utiliser des unités adaptées. - Analyser, en termes scientifiques, une situation, une expérience. - Décrire une expérience, un phénomène. Chimie - Inventorier les enjeux de la chimie dans la société (impacts sur Les questions l’environnement avec le recyclage et l’élimination des matériaux). qui se posent au chimiste Éducation civique juridique et sociale La citoyenneté et Susciter des interrogations et des exigences nouvelles en matière de les évolutions droits, de justice, de liberté, de responsabilité, de sécurité, par exemple des sciences et dans les domaines de la bioéthique, de la prévention des risques naturels ou techniques, de la mondialisation des réseaux de des techniques communication, de la santé, de la qualité de la vie, de l'environnement, de l'avenir de la planète... - Faut-il fixer des limites aux progrès des sciences et des techniques et en fonction de quels principes ? - Comment État et citoyen peuvent-ils contrôler démocratiquement ces transformations ? Comment garantir l'indépendance des décisions démocratiques dans des domaines qui requièrent des savoirs spécialisés ? Quel rôle les experts doivent-ils jouer ? Existe-t-il un risque de technocratie ? - Peut-on garantir un égal accès de tous les citoyens aux bénéfices des sciences et des techniques ? - Face à ces complexités et à ces défis, comment permettre l'exercice de la citoyenneté ? -

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Terminale

Expo Nanomondes

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Au Vème siècle avant notre ère : Démocrite, philosophe grec, émet l'hypothèse que la matière est composée d'éléments indivisibles (les atomes).

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1911 : Rutherford détermine l’existence du noyau atomique.

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1913 : Niels Bohr postule que la théorie classique n’est pas valable pour un atome.

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1959 : Richard Feynman, physicien, est le premier à aborder la notion de maîtrise de la matière. Dans un discours devenu historique, il déclare «There is plenty of room at the bottom» (il y a beaucoup d’espace en bas) et imagine déjà pouvoir graver l’ensemble de l’encyclopaedia Britannica sur une surface équivalente à une tête d’épingle.

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1969 : Première utilisation du terme nanotechnologie par Eric Drexler, alors étudiant de Richard Feynman. 1981 : Invention du microscope à effet tunnel par deux chercheurs d’IBM Suisse, Gerd Binning et Heinrich Roher. 1985 : Harold Kroto et Richard Smalley découvrent la molécule de Fullerène, constituée de 60 atomes de carbones formant une cage qui ressemble à la surface d’un ballon de football de 0.7 nanomètre de diamètre.

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1986 : Invention du microscope à force atomique.

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1990 : Des chercheurs d’IBM écrivent le nom de leur société avec 35 atomes de xénon à l’aide d’un microscope à effet tunnel.

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1991 : Sumio Iijima, chercheur dans une grande entreprise d’électronique japonaise (NEC), observe pour la première fois les nanotubes de carbone, des feuillets de graphite qui constituent la mine d’un crayon à papier. A l’échelle du nanomonde, ces feuillets ressemblent à un grillage en forme de nid d’abeille. En roulant ce grillage, on obtient un nanotube de carbone de l’ordre du nanomètre de diamètre. La propriété la plus extraordinaire des nanotubes est leur solidité : ils sont 20 fois plus rigides et 10 fois plus légers que les aciers les plus durs connus à ce jour.

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1998 : Les premières molécules outils et nanomoteurs sont créés comme la roue moléculaire.

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2001 : Premier transistor réalisé avec un nanotube.

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2003 : Première diffusion de la série Jack 2.0, une série qui parle d’un homme transformé par la nanotechnologie.

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2004 : Premiers microprocesseurs gravés avec une finesse de 0,09 µm, soit 90 nm, chez Intel et AMD.

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2007 : Sortie de la gravure de 45 nm par Intel.

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2008 : Lancement de l’Observatoire Européen des Nanobiotechnologies financé par l’Union Européenne. Il étudie l’impact des nanobiotechnologies sur la santé, l’environnement ainsi que les questions éthiques et juridiques.

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Quelques dates

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Le nanomètre Qu’est-ce qu’un nanomètre ?

Nano vient du grec (nanos) qui signifie «nain». Utilisé comme préfixe d’une unité de mesure, il représente un milliardième de mètre soit 1/1 000 000 000 ou 10-9 mètres. Dix atomes d’hydrogène alignés mesurent environ un nanomètre, et une double hélice d’ADN 2,5 nanomètres de large. Le plus petit élément des circuits intégrés est déjà de l’ordre d’une dizaine de nanomètres de largeur, un globule rouge mesure un millier de nanomètres et le point à la fin de cette phrase a un diamètre d’environ 100 000 nm. A la fois très proche, car les atomes sont partout, le Nanomonde désigne pourtant un univers très éloigné de nous. Il y a la même différence de taille entre un atome et une balle de tennis, qu’entre cette même balle et la Terre. Un tel changement d’échelle permet de comparer l’exploration du Nanomonde à une exploration spatiale dans l’infiniment petit. Le Nanomonde : un autre point de vue sur le monde ?

Les rapports de taille entre notre monde et l’infiniment petit sont aussi importants qu’entre notre monde et l’infiniment grand.

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La découverte du nanomonde a débuté par la révolution théorique de la physique quantique. A cette époque, les chercheurs le visitaient par l’abstraction et les équations mathématiques. L’exploration «physique» du nanomonde a commencé grâce à des techniques d’observation, de mesure et d’identification. Malgré leur taille infiniment petite et les lois physiques particulières qui les gouvernent, nous sommes aujourd’hui capables de «photographier» et manipuler les atomes. Les outils se sont affinés et les découvertes de ces dernières années ont rendu ce monde concret, compréhensible et surtout manipulable, jusqu’à une certaine échelle. Microscope à effet tunnel (MET ou STM pour Scanning Tunneling Microscope) En 1981, Gérald Binnig et Heinrich Röhrer, deux chercheurs d'IBM, inventent le microscope à effet tunnel. C’est le début de l’observation et de la manipulation de l’atome. En 1986, les 2 chercheurs reçoivent le prix Nobel de Physique. Cette consécration illustre l’importance de leur découverte qui apporte un « regard » nouveau sur la matière et ouvre de vastes champs d’applications pour la physique comme pour la chimie et la biologie. Désormais, les chercheurs peuvent sentir les atomes, grâce à l’effet tunnel. Contrairement aux microscopes traditionnels, le STM ne permet pas de «voir», mais de «palper» la surface. Il ne fournit pas une photographie, mais une image modélisée de la surface. Le STM ne fonctionne qu’avec des matériaux conducteurs comme les métaux.

Pour les matériaux isolants, les scientifiques utilisent le Microscope à Force Atomique. Microscope à force atomique (AFM pour Atomic Force Microscope) La même année, Binnig, Quate et Gerber mettent au point le microscope à force atomique qui permet, contrairement au microscope à effet tunnel, d’étudier les matériaux non conducteurs, comme la plupart des objets vivants. Dérivé du STM, il mesure les forces d'interactions entre la pointe du microscope et la surface explorée. Ces instruments combinés permettent d'observer, de manipuler et de créer des nanostructures.

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Les outils d’observation

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Le Nanomonde est en nous : comme tout objet physique, nous sommes constitués d’atomes, unités de base de la matière. Comme une poupée russe, notre matière est composée de briques qui s’assemblent. Les atomes s’assemblent en molécules. Ces molécules s’organisent pour créer les cellules, à partir desquelles les organes dont nous sommes constitués sont construits. Entre l’atome et nous, il y a plusieurs niveaux d’organisation.

L’ADN : Muraille de Chine nanométrique L’ADN d’un virus Si un brin d’ADN ne mesure que 2.5 nm de largeur, sa longueur est proche du micron (un millionième de mètre). Si on le «déplie», il est encore plus long.

L’atome, brique élémentaire et unité de base du nanomonde L’atome d’hydrogène mesure environ 0.1 nm. L’électron ou le proton qui le constituent sont encore plus petits. La taille d’un proton est d’un Fermi = un millionième de nm = 10-15 m. Une galaxie dans une goutte d’eau Une goutte d’eau est composée de 1 000 milliards de milliards (1021) d’atomes. Il y a 6 milliards d’habitants sur Terre. En imaginant qu’un être humain est un atome, une goutte d’eau pourrait abriter près de 167 milliards de planètes Terre !

A l’échelle de l’atome, l’ADN de nombreux organismes parait aussi long que la Muraille de Chine à l’échelle de l’homme. A un cheveu près... Le Virus : plus petit organisme «vivant». Pas si petit dans le nanomonde... Grand de 400 nm, ce virus peut sembler extrêmement petit, mais il est déjà 400 fois plus gros qu’un atome. En imaginant qu’un nanomètre égale un centimètre, le virus mesurerait alors 40 cm !

Capsule de Mimivirus, le plus gros virus connu.

A vue d’œil, nos cheveux paraissent très fins, d’où l’expression «à un cheveu près» ! Mais à l’échelle du nanomonde, un cheveu est gigantesque : pour un virus, un cheveu est aussi large que les Champs Elysées !

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Le Nanomonde

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En entrant dans le Nanomonde, on ne change pas seulement d’échelle : ce sont d’autres lois qui le gouvernent. Au pays des atomes, les forces qui dominent notre vie comme la gravité sont pratiquement sans importance. Les lois de la physique classique laissent la place à celles de la physique quantique.

Le mouvement brownien ou le sens du hasard

Le flou quantique Au début du 20ème siècle, l’étude de l’infiniment petit a complètement bouleversé la physique classique, obligeant les chercheurs à abandonner la majeure partie des principes élaborés par Newton et ses disciples. Par exemple, il est impossible de connaître simultanément la vitesse et la position d’un électron, car ces mesures ne peuvent se faire que séparément. Les points constitutifs du globe ci-dessous symbolisent les endroits où peut se trouver un électron gravitant autour d’un atome d’hydrogène.

Dans un fluide, les particules se déplacent au hasard. Elles s’agitent et s’entrechoquent, induisant sur de plus grosses particules un mouvement irrégulier. Au 19ème siècle, les scientifiques pensent que les microparticules sont vivantes, du fait des mouvements, a priori autonomes, qui les agitent. Ce n’est qu’en 1827 que Robert Brown réussit à décrire le phénomène, qu’on appellera ensuite le mouvement brownien. Les scientifiques ne connaissent pas la position exacte de l’électron, mais seulement son emplacement probable. C’est le principe d’incertitude. Le nanomonde est flou : il ressemble à la vision d’un myope sans lunettes !

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Le Nanomonde, un univers avec ses propres lois

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Les ailes bleues du papillon sont incolores ! Les ailes de nombreuses espèces de papillons renferment des pigments colorés, mais pas celles du Morpho Cypris bleu. Ses ailes sont recouvertes d’innombrables minuscules écailles de chitine transparentes ! C’est la structure superficielle de ses écailles qui, par dispersion, diffraction et réflexion de la lumière, donne naissance à cet effet coloré. Cette propriété est étudiée par les chercheurs, en vue d’applications industrielles.

Le secret du gecko La patte du gecko est munie de poils extrêmement fins et souples qui peuvent s’accrocher à tous types de surfaces. Les pattes du Gecko adhèrent grâce aux forces de Van der Waals, forces attractives qui s’appliquent entre les molécules des pattes et les molécules de la surface sur laquelle elles adhèrent. Les molécules s’attirent donc comme des aimants et puisque les doigts du Gecko sont couvertes de 2 millions de poils, sachant que chacun de ces poils se séparent entre 100 et 1000 petites branches, le nombre de mini-aimants est immense. Très faible, elle tient sa force de son grand nombre : la patte du gecko en contient des millions ! Pour ne pas rester collé, le gecko les défait facilement une par une, comme un ruban adhésif.

La pureté du Lotus…

Le même mécanisme s’applique avec la saleté, mais les forces engendrées par les quelques molécules de poussière ne sont pas assez fortes, et la saleté ne tient pas.

Symbole de la pureté en Asie, la feuille de Lotus utilise ses nanostructures pour rester toujours propre. La structure superficielle des feuilles est cireuse, c’est une microstructure à laquelle vient se superposer une nanostructure ; elle réduit au maximum le contact avec les gouttes d’eau. Celles-ci perlent et s’écoulent sur la surface, entraînant les salissures presque sans laisser de trace. La plante s’autonettoie !

Les scientifiques travaillent aujourd’hui sur un nouvel adhésif inspiré des pattes du Gecko, qui serait très résistant, réutilisable et auto-nettoyant. L’adhésif pourrait être utilisé sur des Post-it ou des pansements qui résiste à l’eau, ou même dans le cadre de nano-chirurgie. Les poils synthétiques sont encore au premier stade de développement, il faudra donc attendre quelques années avant la disponibilité de cet adhésif nouvelle génération.

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Les Nano dans la nature

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Le nanomètre (1 nm = 10-9 m, soit un milliardième de mètre) est l’unité reine du monde des nanosciences et des nanotechnologies. Un nanomètre, c’est environ : • 500 000 fois plus fin que l'épaisseur du trait de stylo à bille ; • 30 000 fois plus fin que l’épaisseur d’un cheveu ; • 100 fois plus petit que la molécule d’ADN; • 4 atomes de silicium mis l'un à côté de l'autre. Nanosciences et nanotechnologies S’il n’existe pas de définition consensuelle du mot nanotechnologies, la Royal Society britannique et la Royal Academy of Engineering en proposent une, rédigée à l’issue d’une consultation de citoyens et d’experts. Les nanotechnologies sont « la conception, la caractérisation, la production et les applications des structures, dispositifs et systèmes, en contrôlant leur forme et leur taille à l’échelle du nanomètre ». Les nanosciences étudient « des phénomènes et des matériaux dont les propriétés aux échelles nanométriques sont significativement différentes de celles observées à plus grande échelle ». Histoire de… Les prophètes En 1974, Norio Tanigushi invente le terme «nanotechnologies». Mais le premier à aborder la notion de maîtrise de la matière est le physicien Richard Feynman, en 1959. Fabriquer un objet infiniment petit peut prendre une éternité ! Si une goutte d’eau contient 1 000 milliards de milliards (1021) d’atomes, combien de temps faudrait-il pour la fabriquer atome par atome ? Assurément un temps infini ! Le rêve des nanotechnologies : le Légo moléculaire, construire atome par atome.

«L’ingénierie moléculaire», concept inventé par Eric Drexler, désigne la construction à l’échelle moléculaire. C’est la prochaine grande révolution des nanotechnologies. En effet, elle permettra de passer de la technique du «top down» (de haut en bas, voie descendante), qui consiste à découper les matériaux brut à l’aide de nano-scalpels, à celle du «bottom-up» (de bas en haut, voie ascendante), technique de fabrication brique par brique (les molécules). La chimie supra-moléculaire inventée par Jean-Marie Lehn (prix nobel, ISIS, Strasbourg) offre une solution concrète pour les molécules. On «programme» l’assemblage et on laisse faire la nature. Le Nanomonde, lieu commun des disciplines scientifiques La récente histoire des Nanosciences montre que les physiciens, chimistes, et biologistes travaillent à l’échelle du Nanomètre depuis plusieurs années déjà. Ils prennent rétroactivement conscience que leurs disciplines convergent et, dans les années 1990, ils entrevoient tout le potentiel des recherches croisées. Elles sont déjà parmi nous ! L’intérêt des nanoparticules et des nanomatériaux n’a pas échappé à la Nature, ni même à nos ancêtres qui, sans le savoir, ont exploité leurs caractéristiques. Mais aujourd’hui, avec les premiers produits commercialisés, les nanotechnologies prennent leur envol. D’un bout à l’autre de la planète, les investissements dans les nanotechnologies sont chaque année plus élevés ; certains annoncent même la prochaine « révolution industrielle »...

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Nanotechnologies

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Les artisans romains nanotechniciens Le terme nanotechnologies évoque souvent les récentes avancées de la recherche. Mais nos ancêtres les romains s’interrogeaient déjà sur la composition de la matière et produisaient sans le savoir des nanomatériaux, notamment pour la verrerie. Ils donnaient au verre une teinte variant du bleu au pourpre, au rouge puis à l’orange lorsque la taille des nanoparticules diminue. Un effet similaire se produit avec des nanoparticules d’argent et de cuivre.

Fabrication des nanocomposants • En adoptant une voie descendante ("topdown") : on part d’un matériau, on le "découpe" et on le "sculpte" pour réduire le plus possible les dimensions de l'objet ou du composant que l'on veut fabriquer. C'est la voie qu'a suivie l'électronique depuis 30 ans, provoquant une révolution technologique dont l'ordinateur est le résultat le plus remarquable. L’effort de miniaturisation a d'abord conduit à des composants de dimensions micrométriques et est maintenant descendu en dessous des 100 nm.

• En adoptant une voie ascendante ("bottom-up") : on assemble la matière atome par atome pour construire des molécules que l'on intègre ensuite dans des systèmes plus grands. Cette voie est similaire à celle suivie par la nature : à partir des molécules d'ammoniac, de dioxyde de carbone, d'eau et de sels minéraux, elle a formé durant 4 milliards d'années d'évolution le monde du vivant si riche et si complexe d'aujourd'hui. Limites et défis des Nanotechnologies Si les instruments utilisés aujourd’hui pour explorer le Nanomonde sont très performants, ils comportent néanmoins des limites, notamment leurs dimensions. On ne sait pas encore fabriquer d’outils Nanométriques ! On travaille donc avec des outils plus gros que les objets que l’on souhaite manipuler. C’est, en quelque sorte, comme coudre un bouton avec des gants de boxe !

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Qu’est-ce qu’un Nanomatériau ? Les Nanomatériaux sont des matériaux composés de structures de la taille de quelques atomes, des «Nanostructures». Ce sont elles qui donnent ses principales propriétés au matériau qu’elles constituent. Elles existent à l’état naturel et l’homme les utilise sans le savoir, depuis plusieurs siècles. Aujourd’hui, les chercheurs peuvent produire des Nanoparticules ou contrôler la croissance de Nanocristaux. Concevoir, élaborer et utiliser les matériaux à l’échelle nano, pourrait devenir l’un des moteurs majeurs de la technologie du 21ème siècle.

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Les applications de demain Environnement et énergie Des matériaux renforcés par des nanoparticules rendront les alliages plus légers et résistants, aboutissant à la production d’objets presque inusables. Avec la fabrication « bottom-up » (de bas en haut), on pourra utiliser un minimum de matières premières et construire sans produire de déchet. Dans le domaine de l’automobile, l’utilisation de piles produites grâce aux nanotechnologies permettra de réduire, voire de supprimer l’utilisation des combustibles fossiles. Des recherches sont également en cours pour dépolluer l’eau grâce à l’énergie solaire et à l’action combinée du dioxyde de titane. Electronique et Technologies de l’Information et de la Communication Les futurs concepts d’enregistrement nanotechnologiques devraient combiner divers avantages : grande capacité de stockage, vitesse ou rétention de données sans alimentation constante, et longévité. Avec la mémoire vive à changement de phase, il sera possible d’enregistrer un térabit, l’équivalent de dix heures de données vidéo d’une qualité irréprochable, sur une surface de la taille d’un timbreposte.

Grâce à la nanoélectronique, un seul appareil de la taille d’une carte de crédit fera office de magnétophone, appareil photo, magnétoscope, télévision, téléphone mobile, GPS, traducteur, carte de crédit, etc. Dans la vie quotidienne Les nanotechnologies feront évoluer nos gestes quotidiens. Au restaurant, il suffira de passer une carte de paiement sur un coin du menu pour payer l’addition et les pièces pour le pourboire seront recouvertes de nanoparticules antibactériennes. Les fenêtres seront résistantes à la saleté et aux rayures, elles s’assombriront automatiquement en cas de forte luminosité, transformeront cette lumière en électricité, voire s’allumeront comme un grand écran. La santé Dans le domaine de la santé, c’est le développement de la médecine individualisée qui est en jeu. Dans un futur proche, certains traitements pourraient être transportés dans une molécule creuse, sorte de conteneur nanométrique équipé d’antennes. Quand elle entre en contact avec les structures typiques de l’agent responsable de la maladie, comme des cellules cancéreuses, elle se colle et libère son contenu. Une nanotechnologie de ce type permettrait d’administrer des médicaments à forte dose à la source de la maladie, sans imposer de tension au reste de l’organisme. Les nanotechnologies dans le monde Contrairement aux précédentes découvertes technologiques, les nanotechnologies ne concernent plus seulement les pays développés ayant des centres de recherche reconnus. Plusieurs économies émergentes ou de petites puissances sont entrées dans la course, en même temps que les Etats-Unis, l’Europe ou le Japon, faisant des nanotechnologies un secteur très concurrentiel !

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Applications d’aujourd’hui… et de demain Les applications des Nanotechnologies concernent potentiellement tous les domaines, de la santé à l’énergie, en passant par les transports, les communications, l’environnement ou la défense. On parle à leur propos de technologies «horizontales». Les premières applications commercialisées sont issues des progrès des technologies de miniaturisation (informatique, télécommunications…) et des premières productions de Nanoparticules, intégrées dans des objets plus gros (pneumatiques, verres…).

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Raquette de tennis en nanotubes de carbones Fabriquée avec des nanotubes de carbones, cette raquette est d’une grande légèreté tout en étant plus solide et plus flexible que les raquettes traditionnelles. Babolat (www.babolat.com)

Uniforme médical, peinture antibactérienne et savon désinfectant pour les mains Les propriétés antibiotiques de l’argent sont connues depuis l’Antiquité. A l’état de nanoparticule, le métal peut s’intégrer à tous les matériaux : vêtements, murs, objets, etc. Ses propriétés antibactériennes seront d’un grand secours, notamment dans les hôpitaux pour diminuer les maladies nosocomiales.

Jrnanotech (www.jrnanotech.com)

Les puces électroniques Une tranche de silicium monocristallin supporte les transistors qui composent les puces électroniques. Au-dessus des transistors plusieurs couches de métal forment les interconnexions, pour réaliser la fonction électronique. Sur cette tranche les transistors mesurent quelques dizaines de nanomètres de long, et utilisent des couches de quelques nanomètres à peine. Une seule puce contient 100 millions de transistors et une tranche contient jusqu’à plusieurs milliers de puces. Une fois les puces fabriquées les tranches sont découpées et les puces individuelles sont encapsulées dans des boîtiers Ces boîtiers permettent de reporter les centaines de contacts de chaque puce sur les circuits imprimés des applications finales (téléphone, ordinateur, télévision...). Certains boîtiers sont complexes, offrant par exemple des fonctions optiques pour les micro-caméras des téléphones mobiles.

Chaussettes antibactériennes Les mauvaises odeurs sont dues à l’activité des bactéries. Pour y faire face, des nanopoudres de nitrate d’argent ont été intégrées à cette paire de chaussettes. L’argent est un métal naturellement antibactérien qui, réduit en nanopoudres, est encore plus actif. Finies les mauvaises odeurs ! Jrnanotech (www.jrnanotech.com)

Vêtements antitâches Les nanotechnologies permettent de fabriquer des vêtements antitâches sur le principe de l’effet Lotus. Généralisés, ces tissus diminueront les dépenses d’énergie et d’eau pendant le lavage.

STMicroelectronics (www.st.com) Pantalon fabriqué à partir d’un tissu Nanotex. (www.nanotex.com)

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Quelques objets (issus de l’exposition)

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Ciment antipollution

Ciment fotofluid (http://www.globalengineering.info/)

Le ciment fotofluid combine à la fois la dureté du ciment et la flexibilité de l’asphalte, il peut donc être utilisé pour recouvrir les routes. Grâce aux propriétés photocatalytiques de l’oxyde de titanium en nanopoudres, ce ciment est antipollution, antitaches et antiodeurs, ce qui peut améliorer de manière significative la qualité de vie à proximité des voies de circulation. Vitrail De nombreux vitraux d’églises ou de cathédrales de l’époque médiévale et moderne tirent leurs teintes rouge et bleue de nanoparticules d’or ou d’argent, contenues dans le verre. Oeuvre originale de Valérie Fortis

Les nanotubes de Carbone Dans un volume d'un cm3, on a environ 1016 segments de nanotubes. Si on dépliait tous ces nanotubes à plat, on obtiendrait une surface de 300 m2 (un terrain de basket) ! La surface d'un nanotube a la structure d'un nid d'abeille (hexagones) à la différence près que chaque alvéole au lieu de mesurer deux millimètres ne mesure que 0.3 nm : elles sont cent mille fois plus petites !. Si les nanotubes avaient la même taille que des nids d'abeilles, ce n'est plus une surface de 300 m2 qu'ils occuperaient mais dix fois la surface de la terre! Gilet pare-balles traité aux nanoparticules Malgré la très grande solidité des fibres de Kevlar qui constitue le bouclier du gilet pare-balles, un des facteur limitant du kevlar est sa dégradation rapide lorsqu’il est exposé aux UV et à l’humidité. Le traitement de surface par des nanoparticules lui permet de résister très longtemps à ces deux agression et permet d’augmenter considérablement le temps d’usage d’un matériaux très coûteux à l’achat. Peinture Antigraffiti Cette peinture contient des nanoparticules hydrophiles et hydrophobes, ce qui lui permet de ne pas accrocher une autre peinture sur la surface traitée antigraffiti. Un simple nettoyage à l’eau suffit à éliminer l’essentiel du graffiti. Elle résiste aussi aux UV et aux abrasions, ce qui la rend endurante. DELETUMTM don de Victor M. Castaño Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada Universidad Nacional Autónoma de México.

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Puces RFID RFID signifie Radio Frequency IDentification. Les puces permettent de stocker et récupérer des données à distance en utilisant des balises métalliques, les « Tag RFID », qui peuvent être collées ou incorporées dans des produits. Composées d’une antenne et d’une puce électronique, elles réagissent aux ondes radio et transmettent des informations à distance. L’objectif : remplacer les codes barres.

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Activités à faire en classe 1) Combien de nanomètres dans un mètre? Niveau : Cycle 3 Thème: Le nanomètre Durée : 15 minutes Objectif pédagogique : Grandeurs et mesures : longueurs et conversions.

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Descriptif : Nano vient du grec « nanos » qui signifie « nain ». Les scientifiques l’utilisent dans les unités de mesure pour exprimer le « milliardième » de mètre. Le tableau de conversion proposé permet de situer le nanomètre dans le système métrique. Nous découvrons un monde où la différence entre un atome et une balle de tennis est aussi importante qu’entre cette même balle de tennis et la terre à notre échelle. Au cours de cette exploration dans l’infiniment petit, nous essayons de rendre perceptible ce voyage dans la matière et de trouver de nouveaux points de repère, afin de ressentir « l’espace » qui sépare le mètre du nanomètre. Les proportions : la circonférence de la terre, d’une balle de tennis. Consigne : En partant de l’unité de mesure du mètre que tu connais bien : ajoute des zéros autant de fois qu’il le faut pour arriver progressivement au nanomètre. •

1 mètre : c’est 1

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1 mètre : c’est 1

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1 mètre : c’est 1

•

1

mètre

:

c’est

centimètres millimètres micromètres

1

Combien de zéros as-tu ajouté dans le dernier tableau ? : ……………..

nanomètres

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Niveau : Collège Thème: Changer d’échelle de référence. Durée : 20 min Objectif pédagogique : -

Résolution de problème.

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Grandeurs et mesures : longueur et volume.

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Nombres et calculs : la multiplication, les puissances de 10.

Descriptif : Cette activité permet de prendre conscience du changement d’échelle et du nombre impressionnant d’atomes nécessaires pour « construire » un objet. En partant d’un morceau de sucre constitué de molécules de saccharose, on s’aperçoit rapidement des difficultés techniques qui sont rencontrées par les ingénieurs pour assembler des atomes. Cette réflexion sur la fabrication à l’échelle nanométrique montre également la problématique d’industrialisation de procédés. Consigne : Problématique : Combien y a-t-il de molécules de saccharose dans un morceau de sucre ? Mesure d’abord la longueur d’un morceau de sucre. Sachant qu’une molécule de saccharose équivaut à un nanomètre, calcule combien il y a de molécules sur la ligne mesurée. …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… En supposant l’existence d’un nanorobot capable de fixer des molécules de saccharose entre elles et en supposant que le temps de cette opération dure 1 seconde, combien de temps faudra-t-il à ce robot pour fabriquer un morceau de sucre ? …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… Réponse : Un morceau sucre -

Longueur 27 mm soit 27 millions de molécules sur la longueur du morceau de sucre. Largeur 17 mm : soit 17 millions de molécules. Hauteur 12 mm : soit 12 millions de molécules.

On a donc en tout 5508.1018 molécules pour le morceau. Si le nanorobot construit à raison de une molécule par seconde (il y a 31 536 000 secondes dans une année) : il faudrait 174.1012 années.

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2) Combien de molécules dans un morceau de sucre ?

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Niveau : Lycée Thème : Fabrication d’objets nanométriques. Durée : 20 minutes

Objectifs pédagogiques : -

Se rendre compte de la difficulté à fabriquer des objets nanométriques.

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Définition de la distribution des fréquences d'une série prenant un petit nombre de valeurs et de la fréquence d'un événement.

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Étude des fonctions logarithmes.

Descriptif de l’activité : Il est impossible de fabriquer des objets micrométriques et nanométriques en partant d’objets macrométriques. De plus, il faut des instruments spécifiques pour les manipuler. A l’heure actuelle, les instruments utilisés sont plus gros que les objets manipulés. Pour comprendre cette impossibilité, prenons conscience que quand on manipule de tous petits objets, nos doigts ont vite une taille colossale ! C’est un peu comme coudre avec des gants de boxe ! Un exemple concret pour comprendre la difficulté à obtenir et à manipuler de si petits objets est de prendre une feuille de papier de 1 cm de large et de la couper en deux autant de fois qu’il le faut pour obtenir une bande de 1 nm de large. Cela représente 23 découpages et est tout à fait impossible à réaliser.

Les élèves essaieront de retrouver le résultat : 1.10-2 / 2n = 10-9 soit 2n = 107 soit n = log 107 / log 102 = 23.

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3) Plus petits que des confettis

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Littérature

Science-fiction -

Nanotikal de Marcus Hammerschmitt aux éditions L’Atalante, Broché, novembre 2006.

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Nanotechs, 5e volume de la B.D. « S.T.A.R. » de Patrick Delperange et Thierry Cayman, Casterman, octobre 2006.

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La proie, de Michael Crichton, Robert Laffont, Broché, octobre 2003.

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Aristoi de Walter Jon Williams, Relié, 1992.

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Destination cerveau d’Isaac Asimov, Broché, 1988.

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L’invincible de Stanislas Lem, Reliure inconnue, 1972.

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Voyages de Gulliver de Jonathan Swift, Gallimard, 26 mai 1976.

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Le voyage fantastique d’Isaac Asimov, Reliure inconnue,1966.

Scientifique ou de vulgarisation scientifique -

Clefs pour le nanomonde, d’André-Yves Portnoff, Futuribles perspectives, 2008.

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Les nanos vont-elles changer notre vie ? de Louis Laurent, Eyrolles, 2007.

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À la conquête du nanomonde, de Dominique Luzeaux et Thierry Puig, Le Félin, 2007.

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Les nanoparticules, sous la direction de Benoît Hervé-Bazin, EDP Sciences, 2007.

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Les nanosciences. Tome 1, Nanotechnologies et nanophysique, Edition revue et augmentée. Marcel Lahmani, Claire Dupas, Philippe Houdy. Collectif. Belin, 2006.

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Bienvenue dans le nanomonde : comment les nanotechnologies vont transformer notre vie, Ted Sargent, Quai des sciences, Dunod, 2006.

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Le nanomonde, Roger Moret, CNRS Editions, 2006.

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Les nanotechnologies, Espoir, menace ou mirage, Yan de Kerorguen, Lignes de Repères, 2006.

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Nanotechnologies, maxiservitudes. Pièces et mains-d’oeuvre. L’Esprit Frappeur, 2006.

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Les nanotechnologies, espoir, menaces ou miracles ? Yan de Kerorguen. Lignes de repères, 2006.

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Serons-nous immortels ? Oméga 3, nanotechnologies, clonage… Ray Kurzweil, Terry Grossman. Dunod, 2006.

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BIBLIOGRAPHIE

Expo Nano

Les nanotechnologies doivent-elles nous faire peur ? de L. Laurent et J.-C. Petit, Les petite pommes du savoir, Le Pommier, 2005.

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Engins de création. L’avènement des nanotechnologies, Eric-K Drexler. Vuibert, 2005.

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Se libérer de la matière. Fantasme autour des nouvelles technologies. Bernadette Bensaude-Vincent, INRA Editions, 2004

-

Nanosciences Nanotechnologies. Rapport sur la science et la technologies N°18. Robert Corriu. Eds TEC & DOC, 2004.

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Les Nanotechnologies, de Michel Wautelet, UniverSciences, Dunod, 2003.

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Nanotechnologies. La révolution de demain. Mark Ratner, Daniel Ratner. Pearson Education, 2003.

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Demain le nanomonde. Voyage au cœur du minuscule. Jean-Louis Pautrat, Fayard, 2002.

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Littérature jeunesse -

Faust, B.D de Rodolphe, Seuil, 2007.

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Invisible de Fabrice Colin, SF, Collection Autres Mondes, Mango, 2006.

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Les nuages de Phoenix de Michèle Laframboise, Médiaspaul, 2005.

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Les Transfigurés du Centaure de Jean-Louis Trudel, Médiaspaul, 2005.

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Travis, B.D. de Fred Duval et Christophe Quet, Delcourt G. Productions, 2005.

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Graines de futur, Danielle Martinigol et Denis Guiot, Mango, Jeunesse 2000.

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Les minuscules de Roald Dahl, Folio Cadet, Gallimard Jeunesse, 1998.

Dossier pédagogique

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Expo Nano

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Presse quotidienne nationale

Le Monde -

Les personnes manipulant des nanomatériaux devraient bénéficier de mesures de protection. Le 13 novembre 2008.

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Nanomatériaux : le principe de précaution recommandé. Le 12 octobre 2008.

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Pavés antipollution aux Pays-Bas. Le 15 août 2008.

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Un anticancéreux est créé grâce aux nanotechnologies. Le 04 juillet 2008.

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Des études démontrent les dangers des nanoparticules pour la santé. Le 12 février 2008.

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Peu d'industriels ont répondu aux questions de l'Etat sur les nanotechnologies. Le 13 septembre 2007.

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Des nanoparticules pour agir au cœur des plantes. Le 1er juin 2007.

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TOXICOLOGIE - L'impact des nanoparticules sur les cellules et bactéries dépend de leur forme. Le 27 mars 2007.

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Le comité d'éthique réclame la transparence sur les nanosciences. Le 03 mars 2007.

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Les nanomédicaments sortent des laboratoires de recherche. Le 02 février 2007.

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La fièvre de l'or gagne les laboratoires de nanosciences. Le 09 janvier 2007.

Libération -

Cahier spécial

- Faut-il avoir peur du petit ? Louis Laurent, spécialiste des

nanotechnologies de l'Agence nationale de la recherche (ANR), et Nayla Farouki, philosophe, historienne des sciences et des idées. Le 20 septembre 2008. -

La peau douce et sensible des robots a germé au Japon. Le 19 août 2008.

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Nanos, la grosse trouille. Le 14 avril 2007.

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ENQUÊTE - Un hic sur les nanos? Le 03 mars 2007.

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Des médicaments plus efficaces. Le 03 mars 2007.

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Nanotechnologies, l’avis du peuple. Le 23 janvier 2007.

Dossier pédagogique

Revue de presse

Expo Nano

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Un nouvel avenir pour les mini-satellites ? Le 05 septembre 2008.

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Mobilité et flexibilité. Le 12 mars 2008. (téléphone portable « Morph » de Nokia, en matériaux flexibles, issus des nanotechnologies)

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Les superpouvoirs de Spiderman à portée de tous ? Le 29 août 2007.

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Une nanopile électrique épaisse comme du papier. Le 14 août 2007

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Le textile, toujours plus intelligent. Le 18 juillet 2007

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Les nanosciences au crible de l'éthique. Le 03 mars 2007

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Newsmagazines hebdomadaires

Le Point -

Futur – Miniaturisation. Le 23 octobre 2008.

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Nanotechnologies: l'agence sanitaire plaide pour "le principe de précaution". Le 10 octobre 2008.

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Feu vert européen à un programme sur les nanotechnologies. Le 04 juin 2008.

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Effets similaires à l’amiante de nanotubes de carbone chez des souris. Le 20 mai 2008.

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Nanotechnologies – Chemise branchée. Le 21 février 2008.

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Spécial Grenoble - Destination « Nanoland ». Le 18 janvier 2007.

L’Express -

BEAUTE - Le futur sans attendre. Le 29 avril 2008 Nanoparticules – L'ombre du doute. Le 20 juillet 2006.

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Nanotubes – Minitechnologies, maxirisque ? Le 23 mars 2006.

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Alerte High-tech – En Allemagne, un nettoyant ménager à base de nanoparticules a été précipitamment retiré du marché. Le 16 mai 2006.

Dossier pédagogique

Le Figaro

Expo Nano

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MATERIAUX – Pour faire sa révolution, le bêton fait appel aux nanosciences. Le 16 octobre 2008.

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Les nanoparticules d’or dévoilées. Le 12 juin 2008.

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Des nanoparticules pour se débarrasser de l’arsenic. Le 12 juin 2008.

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Vers des objets qui ne réfléchissent plus. Le 12 juin 2008.

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Détection du H5N1, un laboratoire dans une puce. Le 12 juin 2008.

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Nanosciences : un appel à plus de recherches et de transparence. Le 12 juin 2008.

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L'homme invisible, c'est possible. Le 20 décembre 2007.

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Des souris paralysées qui remarchent. Le 10 mai 2007.

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Révolution dans le monde de la santé – L’ère de la nanomédecine. Le 22 février 2007.

-

Nanomaquillez-vous ! Le 22 février 2007.

Courrier international

o Hebdo n°921 : Dossier « Des nanos dans nos vies ». Le 26 juin 2008.

o Hebdo n°881 : Spiderman fait des émules (source : ABC). Le 20 septembre 2007.

Dossier pédagogique

Le Nouvel Observateur

Expo Nano Magazines scientifiques

La Recherche -

Nanophilosophie. Mars 2008.

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Un moteur de la taille d'une molécule. Mai 2007.

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Alain Claverie : «Une étape vers l'électronique moléculaire». Avril 2007.

-

Instruments - Une caméra infrarouge pour le nanomonde. Février 2007.

-

L'entretien : Benoît Hervé-Bazin : « Nanoparticules, prudence ! ». Janvier 2007.

Science & Vie -

Des nanostructures de métal s'assemblent toutes seules. Septembre 2008, p 41.

-

Eau bouillant plus facilement grâce à des nanobarreaux. Septembre 2008, p 33.

-

Papier en nanofibres de cellulose aussi résistant que l'acier. Août 2008, p 41.

-

Le verre nanoporeux peut régénérer les os. Août 2008, p 36.

-

Un super piège à CO2 grâce à des nanocages. Juin 2008, p 18.

-

Microprocesseurs : les 45 nanomètres sont atteints. Avril 2008, p 94.

-

Nanobactéries : molécules inertes, et non pas des bactéries. Avril 2008, 40.

-

Le plus petit four micro-ondes chauffe un nanolitre. Janvier 2008, p 14.

-

Nanotubes : le plus petit récepteur radio du monde. Décembre 2007, p 14.

-

La nanoparticule d'or a enfin dévoilé sa géométrie. Décembre 2007, p 24.

-

Le film le plus court jamais tourné : 9 nanosecondes. Décembre 2007, p 26.

-

Cancer : nanodiamants contre effets de la chimiothérapie. Décembre 2007, p 43.

-

Stockage d’hydrogène dans des nanocornets. Août 2007, p 30.

-

Chromosomes découpés par laser : l'échelle du nanomètre. Juillet 2007, p 23.

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Les premiers T-Shirts rafraîchissants : Odlo Nanotec. Juillet 2007, p 139.

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Le nanomonde a enfin son générateur. Juin 2007, p. 12.

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Nanomatériaux : feuille de carbone pur, ultime finesse. Mai 2007, p 20.

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De la glace fabriquée en quelques nanosecondes. Mai 2007, p 32.

-

Nano deux-roues : exploit à Toulouse. Mars 2007, p 14.

-

Vêtement à régulation thermique RightTemp (nanomatériau). Février 2007, p 128.

-

Clone des nanotubes, c'est possible à Houston. Janvier 2007, p. 14.

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Des nanosphères vont servir à détoxifier le sang. Janvier 2007, p. 28.

Dossier pédagogique

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Expo Nano

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n°148 (janvier 2002), p. 66 : Nanocosmos, le chantier de l’infiniment petit.

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n°174 (2004), p.16 : la gelée grise attaque.

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n°219 (2007), p.62 : Grimper comme Spider-man, c’est pour bientôt !

Science & Avenir -

ONCOLOGIE - Amiante, nanotubes : même danger ? Juillet 2008.

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LE CHIFFRE - 610 produits. Juin 2008. (610 produits sont labélisés «nano» selon l'étude du Projet sur les nanotechnologies émergentes financé par deux fondations américaines.)

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DEBAT – Faut-il avoir peur des nanotechnologies ? Novembre 2007.

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TECHNOLOGIE - Quatre questions sur les nanotechnologies. Avril 2007.

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TECHNOLOGIE – Les 7 merveilles du nanomonde. Octobre 2002.

THEATRE Pièce Le réel invisible, écrite par Hélène Desperrier, réalisée par le Théâtre Parminou en collaboration avec la Commission de l’éthique, de la science et de la technologie du Canada. (Durée : 75 minutes, cible : tout public).

Dossier pédagogique

Science & Vie Junior

Expo Nano

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Sites d’information et de vulgarisation -

Plaquette du Ministère à télécharger http://www.nanomicro.recherche.gouv.fr/docs/plaq.nanomonde.pdf

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http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/nanomonde-fabrication-dupremier-nano-papier_9098/

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www.radio-canada.ca/tv/decouverte/10_quant/

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http://agora.qc.ca/mot.nsf/Dossiers/Nanotechnologie

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http://www.cea.fr/technologies/le_nanomonde_de_la_science_aux_applications

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ftp://ftp.cordis.europa.eu/pub/nanotechnology/docs/nano_brochure_fr.pdf

Recherche -

http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosnano/

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http://www.cnano-rhone-alpes.org/

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Réseau de Recherche en Micro et Nano technologies (RMNT) www.rmnt.org/

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Nanosciences et progrès médical, Rapport de l'OPECST n° 293 (2003-2004), 6 mai 2004.

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www.senat.fr/rap/r03-293/r03-293.html

http://www.nanomicro.recherche.gouv.fr/

Jeune public et enseignants -

http://www.cea.fr/jeunes

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http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations/a_la_loupe (microscope à effet tunnel)

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http://www.nanomicro.recherche.gouv.fr/nanomonde/

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http://www.nanoreisen.de/francais/index.html

Dossier pédagogique

SITES INTERNET