Matériaux

Un bolide suisse au départ de la course des plus petites voitures du monde

Des physiciens bâlois représenteront la Suisse à la NanoCar Race, une course où les véhicules sont de simples molécules, et le bitume de l'or pur. Ils présentent leur engin: le Swiss Nano Dragster

«Voici le Swiss Nano Dragster!» Rémy Pawlak, jeune physicien, et son collègue Tobias Meier du Département de physique de l’Université de Bâle sont fiers de présenter leur prototype de nanovoiture, un minuscule véhicule fait d’une seule molécule de quelques nanomètres de long, soit 5000 fois plus petit que l’épaisseur d’un seul cheveu.

Avec un peu d’imagination, l’engin ressemble effectivement, avec sa forme triangulaire, à un dragster, soit un bolide avec d’immenses roues derrière, et une ou deux petites devant. Les deux collègues espèrent le mener à la victoire lors de la NanoCar Race, une course internationale de voitures moléculaires dans laquelle ils représenteront la seule équipe suisse.

Le principe de l’événement, qui se tiendra à Toulouse en octobre prochain: aligner une molécule sur la ligne de départ du circuit constituée d’une petite plaque d’or de quelques millimètres de diamètre, et lui faire parcourir le plus rapidement possible les trois lignes droites et les deux virages imposés qui la séparent de la ligne d’arrivée. Une échappée infernale d’environ… 100 nanomètres, soit un dixième de millionièmes de mètre.

Dans des microscopes

Pas question, évidemment, d’assister à cette course à l’œil nu. Aujourd’hui à Bâle lors des «séances essais» comme le jour de la course, tout se passe dans des instruments appelés microscopes à effet tunnel, capables de grossir plusieurs milliards de fois les images des échantillons. Il y règne des conditions très strictes. Le mercure ne dépasse pas les -268°C, soit 5°C au-dessus du zéro absolu (-273,15°C), et un vide extrême doit être maintenu. «C’est un vide encore plus parfait que dans certaines parties de l’espace», glisse le physicien.

L’important n’est pas tant la vitesse, mais plutôt le contrôle de la trajectoire de la molécule

Cet environnement extrême évite notamment toute contamination par des corps étrangers. La précision du microscope est en effet telle qu’elle permet de visualiser directement les molécules. La moindre poussière, la moindre goutte de contaminant empêcherait de voir la route et les bolides. Pire, ce serait deux semaines de perdues, le temps de tout nettoyer et de tout réparer. «Ce sont des instruments qui sont difficiles à maîtriser, mais cela fait partie de notre expertise ici à Bâle», lance Rémy Pawlak.

Propulsion électrique

En fait de bolides, les nanovoitures sont plutôt des escargots: il faut aux molécules environ 38 heures pour terminer le parcours. «L’important n’est pas tant la vitesse, mais plutôt le contrôle de la trajectoire de la molécule», nuance Rémy Pawlak. Pour cette première édition de la course, un seul mode de propulsion est autorisé: le mode électrique.

Au cœur du microscope, une pointe de tungstène imprégnée d’or et dont l’extrémité est constituée d’un seul atome, permet «d’injecter» un courant électrique au voisinage de la molécule. L’énergie électrique qui lui est ainsi transmise la fait vibrer et se mouvoir dans une direction a priori aléatoire. «En améliorant progressivement les conditions d’expérimentation, on parvient à contrôler la trajectoire», précise Tobias Meier.

C’est un véritable challenge scientifique qui va au-delà de la microscopie.

C’est au printemps cette année lors d’une conférence de physique en France que Rémy Pawlak rencontre les organisateurs de l’événement toulousain. De retour dans son laboratoire, ce Français originaire de Marseille décide avec son collègue de participer à la course.

Une molécule venue des cellules solaires

Les deux physiciens dressent la liste des propriétés requises pour leur future voiture. «Nous avions besoin d’une molécule isolée qui ne forme pas d’agrégat. Il fallait aussi qu’elle puisse glisser au maximum sur les atomes d’or du circuit». Cela tombe bien, le laboratoire bâlois étudie justement les phénomènes physiques qui se jouent à l’interface des matériaux. Ne restait donc plus qu’à construire la molécule. Une lourde tâche pour qui n’est pas chimiste.

Coup de chance, leurs voisins du groupe de chimie de la professeure Catherine Housecroft ont développé pour leurs recherches sur les cellules solaires une molécule qui répond à ce cahier des charges.

Sa structure triangulaire est simple et contient quelques dizaines d’atomes de carbone, d’hydrogène ainsi que trois atomes d’azote.

L’espace entre ces derniers, le «moteur» constitue le point d’ancrage de la molécule au circuit. L’une des pointes du triangle est affublée d’atomes formant ce que les chimistes appellent un groupement méthyle. «Sa présence diminue fortement les forces de friction s’exerçant sur la molécule», explique Rémy Pawlak. De la recherche sur le solaire aux voitures moléculaires: ainsi est né le Swiss Nano Dragster.

Un challenge scientifique

Sans consacrer des mois à l’ingénierie d’une nouvelle molécule, les deux collègues se lancent immédiatement à la recherche des paramètres optimaux qui guideront leur engin vers la ligne d’arrivée. Et cela fonctionne: démonstration faite, leur véhicule bouge parfaitement, chaque stimulation électrique lui faisant faire un saut de puce dans la direction désirée. Il reste encore quelques mois avant la compétition, le temps de peaufiner quelques détails. Nous n’en saurons pas plus: tactiques et stratégies relèvent du secret de fabrication.

«Nous y allons pour gagner», assurent les deux physiciens. Au-delà de la satisfaction d’une éventuelle victoire, les nouvelles connaissances qui émergent de ces recherches peuvent déboucher sur la création de nouveaux matériaux, notamment dans des composants électroniques à échelle moléculaire.

«Ces chercheurs ne se contentent pas d’observer passivement des échantillons mais ils agissent dessus, commente Ernst Meyer, chef du département de physique de l’Université de Bâle et pionnier des recherches en microscopie à force atomique. En ce sens, ils se sont lancés dans un véritable challenge scientifique qui va au-delà de la microscopie».

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