EMBARGOED FOR RELEASE: 23 NOVEMBER 2000 AT 14:00 ET US
Contact: Ginger Pinholster
Numéro du magazine Science consacré à la nanotechnologie :
L'étain « dansant » laisse peut-être présager de nouveaux nanomoteurs
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Numéro du magazine Science consacré à la nanotechnologie : L'étain « dansant » laisse peut-être présager de nouveaux nanomoteurs
Les cristaux d'étain se promènent sur le cuivre, s'arrêtant de temps à autre pour changer de place avec un homologue, suivant une chorégraphie qui rappelle la « danse du camphre » - un phénomène observé pour la première fois en 1686.
La découverte de l'étain dansant, signalée pour la première fois dans le numéro sur la nanotechnologie du 24 novembre 2000 du magazine Science, laisse peut-être présager des nanomoteurs extraordinairement efficaces, si les chercheurs réussissent à appliquer ce système de déplacement chimique.
En manipulant les énergies superficielles qui conduisent les cristaux d'étain à passer sur le cuivre, il se pourrait qu'on puisse également maîtriser ces mouvements, forçant ainsi les alliages à constituer les nanoformes recherchées, selon les chercheurs des laboratoires nationaux Sandia de Livermore, en Californie.
Les scientifiques savent depuis des siècles que l'énergie libre sur les surfaces liquides peut stimuler le mouvement des particules. On a observé des particules de camphre dansant sur l'eau il y a plus de 300 ans. Au XIXe siècle, Lord Rayleigh , un savant britannique, a développé ces observations afin de mesurer exactement la tension superficielle de l'eau.
Les auteurs de l'article de Science, Andreas K. Schmid, Norm C. Bartelt et Robert Q. Hwang de Sandia, ont démontré que l'étain se comporte de la même manière en se dispersant sur le cuivre pour former du bronze.
Les chercheurs de Sandia ont déclaré que l'étain déposé sur le cuivre à température ambiante se rassemblait pour former des amas de cristaux bidimensionnels ou « îlots » en moins de deux secondes. Ces îlots d'étain sillonnent la surface du cuivre en recueillant des atomes de cuivre en échange des atomes d'étain qu'ils laissent derrière eux. Les atomes de cuivre prélevés sont ensuite éjectés des îlots d'étain après avoir été transformés en cristaux de bronze bidimensionnels. Au bout de quelques instants, la surface du cuivre est recouverte par les paquets de bronze plus petits et les îlots d'étain se dissolvent.
Ce « processus coopératif tout à fait imprévisible » se produit parce que l'étain en mouvement est repoussé par l'étain déjà incrusté dans le cuivre, ont déclaré les chercheurs. Cependant, quand l'étain dansant ne rencontre rien qui l'empêche d'occuper un certain emplacement en surface, il se dépêche de lâcher un atome et d'attraper du cuivre.
Schmid a indiqué que c'est ainsi que les îlots d'étain « abaissent l'énergie libre de la surface en se déplaçant vers les zones sans alliage ». En d'autres termes, les îlots d'étain sont efficaces : une fois qu'ils ont renoncé à une surface parce qu'elle est occupée par un autre étain, ils continuent à se déplacer. Les chercheurs ont découvert que les blocs de cristaux vont quelquefois jusqu'à se plaquer dans un coin pour ne pas avoir à couvrir deux fois le même terrain.
Les recherches de Schmid « peuvent être considérées comme l'observation directe d'un nanomoteur », selon un essai paru dans Perspectives de Science, Flemming Besenbacher de l'université danoise de Aarhus et Jens K. Noskov de l'université technologique du Danemark ont expliqué que ces îlots d'étain transformaient l'énergie chimique en mouvement en avant, surmontant ainsi la friction entre l'étain et la surface du cuivre.
Quelle est la puissance de ces nanomoteurs naturels ? Besenbacher et Noskov ont estimé que les îlots d'étain produisaient en gros 0,3 CV par kg de poids. Par comparaison, la puissance massique d'une automobile est de 0,1 Cv/kg environ - ce qui rend théoriquement les nanomoteurs plus efficaces.
« L'obstacle à surmonter », ont-ils conclu, « consiste à inventer des nanomoteurs qui peuvent être contrôlés de l'extérieur (pour qu'ils puissent servir à déplacer les objets à la demande) et qui puissent être rechargés ».
Pour observer la formation du bronze en temps réel, les chercheurs de Sandia, parrainés par le bureau des sciences fondamentales de l'énergie du ministère de l'?nergie des Etats-Unis, ont utilisé deux techniques d'imagerie modernes : le microscope à effet de tunnel (Scanning tunneling microscopy ou STM) et la microscopie électronique de faible énergie (low-energy electron microscopy ou LEEM).
Le procédé LEEM permet aux chercheurs de « voir » les objets à la surface du cuivre et de suivre les mouvements rapides de l'étain en temps réel, à partir de la diffraction des électrons. Une carte topographique de la surface du matériau a été créée, pour compléter ces informations, à l'aide d'un microscope STM de haute précision. Avec ce procédé, une sonde à pointe fine apporte un courant électrique à l'échantillon monté. Toute protubérance provoque un courant transitoire anormal lorsque la pointe se trouve soudain tout près de la surface incitant les électrons à pénétrer dans l'échantillon par effet tunnel. Les atomes d'étain laissés par les îlots cristallins sont apparus comme des bosses dans l'image.
Dans le numéro de Science sur la nanotechnologie on trouvera également les comptes rendus de recherche suivants :
MACHINES MICROSCOPIQUES : des hélicoptères minuscules - mus par des moteurs bio moléculaires dotés de nanohélices tournantes - peuvent évoquer des machines automotrices destinées à fournir des médicaments à des zones particulières du corps humains, ont déclaré des chercheurs de l'université de Cornell. Ces nouveaux mini hélicoptères, invisibles sans microscope, mais suffisamment puissants pour produire huit tours d'hélice par seconde, combinent des éléments ouvrés avec des molécules biologiques. Un respirateur enzymatique (ATP-ase) commande une hélice galvanisée quand il est alimenté par le combustible biochimique ATP (adénosine triphosphate). Dans la nature, l'ATP-ase transforme la nourriture en source d'énergie pour les personnes, les plantes et autres organismes vivants en brisant les liaisons atomiques de l'ATP pour créer l'ADP (adénosine diphosphate). La réaction entraîne une protéine cylindrique, semblable à un rotor, à l'intérieur de l'ATP-ase, provoquant ainsi la rotation d'une hélice rattachée. D'après Carlo D. Montemagno de Cornell, les nanomachines biogénétiques pourraient un jour servir de « pharmacie à l'intérieur d'une cellule », peut-être même fonctionner en accord avec la physiologie des cellules vivantes.
DEBUTS DES DIODES DE NANOTUBES : En créant avec un tube de carbone un simple dispositif électronique de deux nanomètres de diamètre seulement, des chercheurs de l'université de Stanford ont préparé le terrain pour des câbles assez petits pour être utilisés à l'intérieur des molécules. Chongwu Zhou, Hongjie Dai et leurs collègues ont présenté une méthode permettant de « doper » ou modifier chimiquement les propriétés des nanotubes pour qu'ils puissent servir de raccordements entre les semi-conducteurs, capables de manipuler des signaux électriques. Les chercheurs ont recouvert la moitié d'un nanotube de carbone à paroi simple d'un matériau plastique, le polyméthylméthacrylate (PMMA). La zone non couverte a été soumise à une dose d'atomes de potassium, et un transfert d'électrons laissant un potentiel négatif à l'endroit exposé a été déclenché. Ainsi, un nanotube de carbone a été transformé en système de raccordement p-n (positif-négatif).
PRISE DE GALONS : Des études fondamentales sur des motifs ouvrés ressemblant à des empreintes digitales ou des zébrures, rapportées par des chercheurs de l'université de Princeton, pourraient apporter de nouveaux renseignements sur le stockage compact des informations et les technologies laser. De manière plus immédiate, l'étude réalisée par Christopher Harrison et ses collègues laisse présager une meilleure compréhension de ce qui se passe lors de la lithographie copolymère, une technique permettant de créer des dessins extrêmement compliqués. La lithographie copolymère peut se révéler utile notamment pour mettre au point des appareils semi-conducteurs à nanoéchelle, à partir de certains cristaux liquides, par exemple, mais des anomalies surviennent et ralentissent le processus. En utilisant la microscopie à force atomique image par image tout en faisant recuire les empreintes digitales synthétiques, l'équipe de Harrison a fait une étude approfondie des anomalies appelées désinclinaisons. Elle a découvert que des groupes de désinclinaisons (trois ou quatre) pourraient se rassembler et s'annihiler eux-mêmes, ce qui laisse penser qu'on pourrait minimiser les anomalies et accélérer les processus de modélisation.
KONDO EN BOITE : De nombreux effets bien connus de la physique des solides sont réexaminés dans les nanoenvironnements. On peut citer pour illustrer cette tendance l'effet Kondo, appelé ainsi du nom de Jun Kondo qui s'est rendu compte en 1964 que les impuretés magnétiques ralentissaient le mouvement des électrons dans les métaux - même à basses températures-. Ce ralentissement pourrait être utilisé pour la commutation des dispositifs, notamment dans les nanotubes de carbone à paroi simple (single-walled carbon nanotubes ou SWNT). Les chercheurs de l'université de Harvard ont signalé que les amas de cobalt magnétiques dans les SWNT jetaient littéralement les électrons pour créer du désordre, augmentant la résistivité. Teri W. Odom, Charles Lieber et leurs collègues ont indiqué que la conductivité peut être améliorée en allongeant les tubes, ce qui semble donner plus de place aux électrons pour récupérer. D'un autre côté, des tubes plus courts présentaient les caractéristiques distinctes de la mécanique quantique destinées à des scénarii de « particule en boîte », le nanotube, dans ce cas.
Outre ces comptes-rendus de recherche, le numéro sur la nanotechnologie de Science comprend une section spéciale comportant trois articles de synthèse, un article d'actualité et cinq profils d'informations sur des laboratoires, traitant des dernières nouveautés de la naotechnologie et de l'attention (tant positive que négative) dont ce secteur a fait l'objet dans les dix dernières années. Les articles de synthèse donnent un aperçu de l'avenir en ce qui concerne les composants électroniques minuscules, les laboratoires sur puce, les micro robots et les difficultés rencontrées pour construire des machines et les déplacer à échelle miniature. Les dossiers d'actualité étudient l'évolution de la nanotechnologie de la science fiction à la réalité, et les récentes percées survenues dans ce domaine, attirant sur la nanotechnologie l'attention des décideurs, des organismes financiers, et des opposants qui pensent que la technologie elle-même est dangereuse.
Pour obtenir des exemplaires de ces articles, veuillez appeler le (202) 326-6440, ou envoyer un courrier électronique à scipak@aaas.org
Il existe un court clip cinématographique illustrant la recherche sur « l'étain dansant ». Pour obtenir davantage de renseignements sur cette œuvre d'art, veuillez contacter Francesca Carpenter au (202) 326-6634, ou envoyer un courrier électronique à fcarpent@aaas.org