Nanocar Race II : Amphis de présentation aux lycées français de Tokyo et Kyoto

Echanges avec les élèves du lycée français de Tokyo

Le 12 octobre, une cinquantaine d’élèves de première du lycée français de Tokyo, ainsi que leurs professeurs de sciences physiques et de numérique-sciences informatiques, ont rencontré en visio-conférence Christian Joachim et Tomonobu Nakayama, directeur de l’équipe japonaise au NIMS-MANA (International Center for Materials Nanoarchitectonics).

Après avoir présenté l’historique et le concept de la course, Christian Joachim s’est attaché à décrire plusieurs notions de physique mises en œuvre. Pour observer une seule molécule sur une surface avec une précision de quelques picomètres, un simple microscope optique (dont la résolution est limitée aux objets de plus d’un micron) ou même électronique (qui utilisent des électrons en guise de source de lumière) ne suffit pas : les chercheurs ont besoin d’un microscope à effet tunnel (en anglais, scanning tunneling microscope ou STM). Quand la pointe du microscope s’approche très près de la surface, un courant dit « tunnel » de l’ordre de 1 nanoampère s’établit pour une tension de 1 volt appliquée. En l’amplifiant, on parvient à construire l’image observée, ligne par ligne, puis à la reconstituer avec des couleurs artificielles. Cela permet également d’écrire atome par atome, molécule par molécule. Ces manipulations nécessitent d’être réalisées à une température très basse, proche du zéro absolu (-273 degrés), pour éviter que les atomes ne soient excités de façon aléatoire par la chaleur de la surface.

Microscope à effet tunnel du CEMES à Toulouse. Crédits : CEMES.

Le chercheur du CEMES a ensuite détaillé les différents éléments nécessaires pour réaliser une course de voitures à l’échelle nanométrique. La « piste » sur laquelle les molécules courent est une pastille d’or de 8 millimètres de diamètre, qu’il faut nettoyer en profondeur pour éviter tout obstacle atomique. Les nanovoitures sont transportées sur cette pastille à l’état de poudre chauffée au travers d’un masque, pour éviter d’en éparpiller sur toute la piste ; il y a beaucoup de déchets, c’est-à-dire de molécules qui se cassent, mais on arrive habituellement à en trouver une ou deux par quelques 100 nm² qui sont toujours en état de fonctionnement. Puis il s’agit de conduire la nanovoiture : en appliquant une tension intermittente à la molécule à l’aide de la pointe du microscope à effet tunnel, on arrive à la faire avancer d’environ 0,2 nanomètres toutes les dixièmes de seconde. Avec le microscope du CEMES, qui comporte quatre pointes indépendantes, il est possible de déplacer quatre molécules en même temps.

Christian Joachim a enfin résumé la première édition de la course en 2017, qui voyait concourir 6 équipes, et donné les grandes dates de la deuxième édition, qui aura lieu en mars 2022 avec 8 équipes.

Molécule-voiture de l’équipe japonaise au NIMS-MANA. Crédits : NIMS-MANA.

Au terme de cet exposé richement illustré en schémas et en vidéos, les élèves ont pu poser leurs questions aux chercheurs.

Q : Pourquoi la Nanocar Race a-t-elle été organisée à Toulouse ?

R : Il n’existe que deux ou trois laboratoires dans le monde qui possèdent un microscope à effet tunnel à 4 pointes comme celui dont on a besoin, et celui du CEMES est actuellement le plus précis (0,002 nanomètres).

Q : Pour stabiliser les molécules-voitures, il faut une température proche du zéro absolu. Des manipulations sont-elles malgré tout possibles à température ambiante ?

R : Quelques expériences ont été réalisées à la fin des années 1990 avec une température plus élevée, mais les manipulations sont nécessairement moins précises qu’à très basse température car la chaleur de la surface va exciter la molécule de manière aléatoire ; les molécules peuvent donc se disloquer et sont aussi plus difficiles à contrôler. Une température plus élevée risque enfin d’augmenter la « pollution atomique » sur la pastille d’or, ce qui rend la conduite des nanovoitures plus hasardeuse : c’est comme s’il y avait des obstacles sur une piste de Formule 1.

Q : Quel est le but du moteur si c’est la pointe du microscope qui fait avancer la nanovoiture ?

R : Il y a plusieurs manières de faire avancer la molécule. On peut effectivement la déplacer en la poussant directement avec la pointe du microscope, mais lors de la première course les règles stipulaient que c’était interdit. L’autre façon de faire avancer la molécule, c’est par le biais d’une énergie très faible apportée par le courant tunnel qui passe entre la pointe du microscope et la surface : distribuée au bon endroit à l’intérieur de la molécule-voiture, cette énergie active le moteur moléculaire et fait bouger la nanovoiture.

Q : Pourquoi la piste est-elle en or et pas dans un autre matériau ?

R : A la surface de l’or, on trouve des sillons, des plissements naturels qui agissent comme des glissières pour les molécules-voitures et qui nous aident à les conduire. Le déplacement des nanovoitures est aussi possible sur d’autres matériaux. Sur une surface d’argent, il n’y a absolument aucun obstacle. Le silicium est un autre matériau possible une fois passivé en surface par une monocouche d’atomes d’hydrogène.

Q : Quand commencent les entraînements et les tests pour l’équipe du NIMS-MANA ?

R : Les tests ont commencé dès l’année dernière. Honnêtement, cela ne se passe pas très bien, mais en science on apprend autant, voire plus, avec des échecs. Toutes les expériences font ressortir des enseignements qui nous aident dans notre compréhension du comportement d’une seule molécule à l’échelle nanométrique sur une surface.

Q : Quel est le coût des infrastructures ? Et comment les financer ?

R : Nos microscopes à effet tunnel sont maintenant souvent conçus en France et fabriqués à l’étranger pour des questions de coût et de personnels. Même comme ça, un microscope coûte environ 400 000 euros. Celui du CEMES, qui est spécial puisqu’il a quatre pointes, coûte 1,5 million d’euros. A cela s’ajoute le coût de l’hélium liquide pour le faire tourner : on en a besoin de 7 000 litres par an… et cela coûte 32 euros le litre (en augmentation constante depuis 18 mois). Les chercheurs font face à des problèmes de financement de manière chronique. Une des façons d’obtenir de l’argent pour continuer ses travaux est de répondre à un appel à projets. Ici, la Nanocar Race est organisée dans le cadre d’un projet européen appelé MEMO (Mechanics with Molecules).

Les élèves du lycée français de Tokyo assistent à la présentation de la Nanocar Race II le 12 octobre 2021. Source : LFIT.

Q : Comment fonctionne l’amplification du courant tunnel ?

R : Un convertisseur permet de convertir le courant en tension, qui est plus facilement amplifiable. On passe ainsi de 1 nanoampère à 1 volt. Mais ce processus est très lent : pour reconstituer une image de 512 lignes de 512 pixels par ligne, il faut environ 5 minutes.

Q : Est-ce qu’il y a un prix pour les gagnants ?

R : Lors de la première édition en 2017, on avait offert une sculpture en métal aux gagnants. Mais la vraie récompense, c’est de concourir tous ensemble et de voir les équipes essayer de résoudre en même temps le même problème.

Q : Combien d’atomes y a-t-il en moyenne dans une nanovoiture ?

R : Il y a une certaine « tension » entre les physiciens et les chimistes à ce sujet. Pour les physiciens, ce qui compte c’est la compréhension du fonctionnement de la nanovoiture. Si l’on s’en tient au strict minimum, c’est-à-dire à une molécule qu’on peut faire avancer sans avoir à la pousser directement avec la pointe et qui a une direction, on peut descendre à une cinquantaine d’atomes. Mais les chimistes trouveront qu’une telle molécule n’est pas « belle », qu’elle manque de quelque chose d’un point de vue esthétique. Pour la deuxième édition, on a donné comme ordre de grandeur une centaine de molécules.

Q : Est-ce que la forme de la molécule est libre ou bien faut-il absolument qu’elle ressemble à une voiture ?

R : Pendant la première édition, on avait laissé carte blanche aux équipes parce qu’il y avait de toute façon peu de concurrents en lice. La molécule suisse de la première édition, par exemple, ne ressemblait pas vraiment à une voiture. Pour la deuxième édition, il y avait beaucoup plus de candidats et on a donc été plus « stricts » sur la forme de la molécule. Les 8 nanovoitures en lice en 2022 auront toutes au moins deux roues.

Q : Est-ce qu’il y a des étudiants qui participent à la course ?

R : Lors de la première édition, un étudiant en Master 1 a piloté la nanovoiture de l’équipe américaine. A Tsukuba, il y a également un étudiant en doctorat. Avant on avait beaucoup d’étudiants internationaux, mais ce n’est plus le cas à cause de la pandémie.

Q : Peut-on envisager de réaliser la course sous un champ magnétique, pour mieux contrôler la direction ?

R : Cela demanderait des champs magnétiques énormes, et à l’heure actuelle seule une poignée de laboratoires dans le monde (dont nous ne faisons pas partie) en a les capacités mais sans utiliser de microscope à effet tunnel. L’autre problème est que cela pourrait casser les molécules. Cela rend les manipulations d’autant plus délicates.