Les molécules à grande vitesse - La course des plus petites voitures du monde a lieu sous vide

Les molécules à grande vitesse - La course des plus petites voitures du monde a lieu sous vide

Les NanoCars sont minuscules et se composent d’une seule molécule. Ce type de « voitures de course » a participé à une course il y a quelques semaines à Toulouse en France. Celle-ci a été réalisée sous ultra-vide et à des températures proches du zéro absolu.

Pendant cette course, aucun ronronnement de moteur ni dépassement risqué n'a lieu, la vitesse n'est pas vraiment frénétique et mesurée en nanomètres plutôt qu'en kilomètres par heure. Toutefois, la compétition entre ces minuscules participants n'en est pas moins captivante puisqu'elle implique le contrôle de molécules, d'atomes et de particules subatomiques individuels.

Une course libre grâce au vide

La piste en question mesure des centaines de nanomètres de long et se compose d'or pur. De plus, la nano-course a lieu à des températures extrêmement glaciales. Afin de pouvoir diriger les participants sur la piste, le mouvement propre aux molécules doit être réduit. Ainsi, la température de la surface de la piste est refroidie à –269 °C à l'aide d'azote liquide et d'hélium. Lorsque la température est aussi proche du zéro absolu, presque plus rien ne bouge de son propre chef.

Afin de permettre aux véhicules de se déplacer librement, la piste doit être totalement exempte d'atomes étrangers. Même la plus petite contamination, comme une molécule d'oxygène atmosphérique, pourrait expulser une NanoCar de la piste. Afin de conserver ces conditions, la course a lieu sous ultravide. À l'aide de pompes à vide turbo et à ion, la pression est réduite à 10-11 mbar.

Des atomes en guise de repères

La piste d'or est également minutieusement nettoyée avant la course : sa surface est bombardée d'ions puis chauffée afin de garantir une piste plate. Les scientifiques en nanotechnologie ajoutent ensuite des atomes d'or afin de définir le parcours des véhicules le long de la piste.

Le défi suivant consiste à placer les molécules-véhicules sur la piste, sans les détruire lors du processus. Pour ce faire, elles sont chauffées dans une chambre de préparation jusqu'à ce qu'elles s'évaporent. Le candidat idéal pour la course est alors sélectionné parmi les molécules qui se placent sur la surface d'or de la piste.

Détection dans le courant du tunnel

Un microscope optique ne permet pas d'observer ces minuscules concurrents, chacun mesurant environ un cent millième du diamètre d'un cheveu humain, car la longueur d'onde de la lumière est trop grande. C'est pour cette raison que les équipes de chercheurs suivent l'évolution de la course à l'aide d'un microscope à effet tunnel. Sur ce dispositif, une sonde électroconductrice, dont la pointe se compose d'un seul atome, se déplace sur la surface de la piste en forme de grille, à des intervalles de quelques nanomètres seulement.

Bien que la pointe de la sonde et l'objet de l'enquête n'entrent jamais en contact, conformément aux règles de la mécanique quantique, un courant de tunnel est créé lorsqu'une faible tension est appliquée. Le volume de ce courant dépend très fortement de la distance entre l'objet et la sonde. Lors du balayage de la feuille d'or, la pointe est contrôlée précisément de façon à ce que la distance et le volume du courant restent constants. Cela permet aux scientifiques de créer un profil de hauteur pour la piste, grâce à une représentation topographique des NanoCars.

Huit heures jusqu'à ligne d'arrivée

En réalité, les chercheurs n'utilisent pas uniquement la sonde pour rendre leurs voitures visibles, mais également pour contrôler leur mouvement. De plus, ils utilisent également le courant de tunnel. À Toulouse, cette méthode a été utilisée pour amener les molécules-véhicules à un niveau énergétique supérieur grâce à l'ajout d'un électron. Les véhicules ont immédiatement relibéré cette énergie et l'ont convertie en mouvement. D'autres équipes ont utilisé la répulsion électrostatique des électrodes pour se déplacer.

Il est également possible de diriger mécaniquement les véhicules vers leur destination à l'aide de la pointe de la sonde, mais cela n'était autorisé pendant la course qu'en cas d'extrême urgence. L'équipe suisse, qui a remporté la course, n'a pas eu besoin de recourir à ce type de manipulation. Leur Swiss Nano Dragster a atteint la vitesse, probablement record, d'environ 12 nanomètres par heure et a été la plus rapide à franchir la ligne d'arrivée en or après près de huit heures de course. À l'instar des courses à taille humaine, cette victoire a été fêtée comme il se doit, avec une douche au champagne.

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Les scientifiques n'ont été autorisés à utiliser qu'environ une centaine d'atomes pour la construction de leurs voitures miniatures. Cependant, aucune spécification stricte n'a été définie quant à la composition ou l'apparence externe des véhicules.

Le principe d'un véhicule sur coussin d'air l'emporte

Les corps des véhicules proposés par les six équipes de chercheurs étaient très différents : les NanoCars de la France, des États-Unis et d'une collaboration américano-autrichienne étaient semblables à des véhicules à quatre roues tandis que le véhicule japonais faisait penser à un os et celui des Allemands à un moulin à vent. Le design réussi de l'Université de Bâle suivait le principe d'un véhicule sur coussin d'air. La molécule plate était composée de quatre anneaux de carbone formant un Y. Le moteur de la structure était composé de trois atomes de carbone tandis qu'un groupe méthyle était utilisé en guise de becquet. Néanmoins, les scientifiques en nanotechnologies de Bâle n'ont pas développé cette molécule spécialement pour la course de voitures miniatures : dans les recherches quotidiennes menées par l'équipe suisse, la Swiss Nano Dragster sert de composant de cellules solaires organiques.


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