Nanotechnologies

Le plus petit dragster du monde est suisse, et il vient de remporter une course

Une équipe suisse de l'université de Bâle s'est imposée à Toulouse ce week-end lors d'une course internationale de voitures moléculaires. Leur véhicule, le «Swiss Nano Dragster» a parcouru...100 nanomètres en un peu moins de sept heures

Un bolide en forme de dragster, un million de fois plus petit qu'une fourmi: c'est avec cette molécule de quelques dizaines d'atomes qu'une équipe suisse de l'université de Bâle a triomphé lors de la NanoCar Race, vendredi et samedi à Toulouse. Le Temps était sur place pour suivre cette aventure scientifique hors du commun.

L’excitation d’un jeu vidéo, couplé à la frénésie d’une course de voitures: NanoCar Race est une expérience scientifique inédite. Inédite, parce qu’elle voit s’affronter sur une piste les plus petites voitures du monde, un million de fois moins grandes qu’une fourmi. Ces bolides sont de minuscules molécules de quelques dizaines à centaines d’atomes baptisées Green Buggy, Nano-Wagon ou encore Nano-Windmill.

A l’échelle nanométrique, les lois de la physique basculent dans la mécanique quantique

L’événement, organisé les 28 et 29 avril au Centre d’élaboration de matériaux et d’études structurales (CEMES) du CNRS à Toulouse, met en compétition six équipes internationales de chimistes et de physiciens. Chacune doit faire parcourir à sa voiture un trajet de 100 nanomètres, soit un dixième de millionième de mètre, répartis en deux virages et trois lignes droites sur une piste d’or pur, matériau prisé car réagissant très peu avec les voitures.

Derrière leur écran, les pilotes réunis dans une salle de contrôle observent et «conduisent» leurs voitures grâce à un type de microscope à effet tunnel dernier cri situé un étage plus bas, dans un environnement ultra-contrôlé. Pas question de s’y rendre, ni pour les pilotes, encore moins pour les journalistes.

Pour déplacer les véhicules, les équipes leur «injectent» un courant électrique à l’aide d’une pointe de tungstène imprégnée d’or et dont l’extrémité est constituée d’un seul atome. L’énergie ainsi transmise fait vibrer les molécules qui bougent dans une direction a priori aléatoire. «Tout l’art des pilotes, c’est de transformer cette excitation en mouvement contrôlé», explique Gwenaël Rapenne, professeur à l’université de Toulouse et membre de l’équipe française Toulouse Nanomobile Club.

Une fois le saut effectué, il faut attendre de 3 à 5 minutes pour scanner la piste et constater où s’est déplacée la molécule (elle saute en général de 0,6 à 0,8 nanomètres plus loin), avant de procéder à l’impulsion électrique suivante. Et ainsi de suite durant les 36 heures que dure au maximum la course.

Une équipe suisse du Département de physique de l’Université de Bâle est sur la ligne de départ. Son véhicule, le Swiss Nano Dragster est une molécule triangulaire d’une quarantaine d’atomes, avec deux sortes de grosses roues à l’arrière. Mais elles ne tournent pas: le Nano Dragster ne fait que glisser sur la piste.

Les yeux rougis par la fatigue, l’un des pilotes, Rémy Pawlak, attend l’heure du départ avec son collègue Tobias Meier. Cela fait dix jours qu’ils dorment au CEMES et qu’ils peaufinent leur stratégie. Les dernières heures ont été consacrées au nettoyage de sa portion de piste, afin d’enlever la plupart des molécules, sauf bien sûr celle qui sera utilisée pour la course. Les deux collègues Bâlois ont confiance en leur dragster. «Nous espérons terminer la course dès vendredi soir», glisse Rémy Pawlak. Prudent, il a placé en bordure de piste quelques molécules de rechange, en cas de sortie de piste inopinée.

Outre l’aspect ludique d’une telle course, les scientifiques espèrent en apprendre plus sur les machines moléculaires, un champ de recherches à la croisée de la physique et de la chimie et qui a été mis en lumière par un prix Nobel de chimie en 2016.

Saut technologique

La mise au point de telles machines n’est pas qu’un défi de miniaturisation. A l’échelle nanométrique, les lois de la physique basculent dans la mécanique quantique, ce qui bouleverse la façon dont se comporte la matière. «La question est de savoir comment transférer le mouvement mécanique classique à l’échelle moléculaire», indique Christian Joachim, responsable de la course et directeur de recherche au CNRS.

L’enjeu est de taille. Car ces nanomachines constitueraient un saut technologique révolutionnaire. «Contrôler des molécules de manière individuelle permettrait par exemple de construire des portes logiques utilisées dans des ordinateurs quantiques», avance Gwenaël Rapenne.

La première étape, à laquelle nous nous trouvons actuellement, c’est d’essayer de déplacer des molécules

Mais nous en sommes encore loin. «La première étape, à laquelle nous nous trouvons actuellement, c’est d’essayer de déplacer des molécules, explique James Tour, de l’université Rice. La deuxième sera de transporter des molécules lors du déplacement. Enfin, la troisième étape consistera à faire construire des choses à ces machines. C’est un changement d’approche total, on construira en partant de simples molécules, comme le fait la nature», entrevoit le chercheur.

Dans un premier temps, la NanoCar Race devrait éclairer la lanterne des scientifiques sur certains points, tels que le comportement de chaque type de design proposé. Par exemple, le dragster suisse se montrera-t-il plus adapté que les véhicules aux formes plus classiques? «Nous avons pensé à un design sans roue pour nous affranchir des règles mécaniques habituelles», dit Rémy Pawlak, avant de filer à son poste de commande. Le départ va être donné.

Bataille entre les équipes allemande et suisse

Le bolide suisse a parcouru une dizaine de nanomètres, avant que la course ne soit momentanément arrêtée. Le logiciel d’une des équipes a planté. Une heure plus tard, la compétition reprend. Les équipes allemande et suisse se livrent une bataille sans merci pour la tête de la course. «Cela pourrait bien se terminer dès ce soir», confirme Christian Joachim.

Le Nano Dragster la gagnera-t-il ce week-end? Peu importe, finalement. Ce qui compte, c’est de faire progresser la connaissance. Un tout petit bond pour la molécule, un grand pas pour la science.


Horaire

15h30: L’équipe américano-autrichienne NanoPrix Team et son Dipolar Racer ont déjà fini la course! Mais c’est un cas un peu à part, puisque celle-ci concourrait sur un autre microscope, situé en Autriche, et sur une piste non pas en or, mais en argent, plus adaptée à leur véhicule.

James Tour, de l’université Rice, a confié au Temps: «Nous travaillons sur les voitures moléculaires depuis 1998 dans notre laboratoire. Notre design est particulièrement optimisé pour la vitesse, c’est pour cela que nous utilisons une piste en argent: sur de l’or, la molécule irait si vite qu’elle serait incontrôlable! L’argent nous permet une meilleure adhérence.»


17h: L’équipe suisse bien positionnée

L’équipe suisse est en tête si l’on exclut l’équipe américano-autrichienne qui a déjà terminé la course sur piste en argent.

Avec 80 nanomètres parcourus, le Swiss Nano Dragster se rapproche de la ligne d’arrivée, après avoir passé deux virages. «On a eu des problèmes pour le deuxième virage que l’on a contourné. On a perdu une molécule sur la pointe qui a donc disparu de la surface on a du change de véhicule une fois. À part ça tout va bien on avance tranquillement», indique Rémy Pawlak.

A noter enfin qu’une séance de questions/réponses est organisée entre 17 heures et 19 heures sur le site Reddit.


18h45: Le Swiss Nano Dragster est arrivé!

L'équipe suisse de l'Université de Bâle de Rémy Pawlak et Tobias Meier a parcouru les 100 nanomètres de son parcours avec brio. Elle est donc la première équipe courant sur le microscope toulousain, sur surface d'or, à terminer la course.

«On aurait pu faire un peu mieux mais le boulot a été fait, se félicite Rémy Pawlak. Nous sommes très fatigués, c'était dur pour le mental», poursuit-il. 

Les deux Bâlois vont se reposer un peu et continuer à faire tourner le Swiss Nano Dragster sur la piste.

Reste à savoir qui sera déclaré vainqueur de la course. Certes, le Dipolar Racer a terminé le premier. Mais ce dernier évoluait sur une piste en argent, et non en or. Si les organisateurs le classent à part, ce serait donc bien le Nano Dragster suisse qui l'emporterait. Vendredi soir, le doute planait encore quant à l'issue du classement final.

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