Les nanotechnologies sous le microscope

​Comme si les téléphones cellulaires n’étaient pas déjà suffisamment petits et perfectionnés, Steven Dew, professeur en génie et vice-doyen de l’Université de l’Alberta, mène des travaux en vue de remplacer leurs puces à transistors de microdimension par des composants de taille nanométrique invisibles à l’œil nu. De telles puces pourraient accroître de façon exponentielle les capacités multitâches des téléphones cellulaires, des ordinateurs et des appareils médicaux, tout en les rendant encore plus petits et encore plus performants. En fait, plus les recherches avancent et plus il devient évident que la nanotechnologie recèle des possibilités infinies.

Toutefois, la manipulation, l’étude et l’utilisation de composants si petits qu’il est impossible de les voir posent un défi fondamental. Pour se faciliter la tâche, Dew et d’autres chercheurs qui travaillent à l’échelle nanométrique se sont attelés à la mise au point de microscopes de force supérieure, capables de magnifier une image jusqu’au niveau atomique, soit jusqu’à 30 millions de fois, ce qui rend possible l’examen, la coupe et la manipulation d’échantillons à cette échelle. La technologie qu’on est en train de développer à l’Université de l’Alberta et à l’Université McMaster permettra aux scientifiques de faire tout cela, et même plus encore.

« La science des surfaces est une discipline qui a déjà ses lettres de noblesse », précise John Preston, directeur du Brockhouse Institute for Materials Research de l’Université McMaster, un centre de recherche de pointe en nanotechnologie situé à Hamilton, en Ontario. Mais jusqu’à maintenant, même les calculs les plus complexes et les meilleurs instruments ne permettaient aux chercheurs que d’en arriver à des inférences, autrement dit à une compréhension partielle de leur objet d’étude, parce qu’ils ne pouvaient pas en voir concrètement les détails. « Lorsque vous pouvez observer et mesurer directement un phénomène, vous savez vraiment ce qui se produit. Vous pouvez alors faire preuve de plus de créativité dans vos expériences et, en définitive, tout le domaine en bénéficie et évolue plus rapidement. » Preston estime que le Canadian Centre for Electron Microscopy (CCEM), qui abritera le National Ultrahigh Resolution Electron Microscopy Facility for Nanoscale Materials Research du Brockhouse Institute, offrira précisément cet avantage.

« Nous voulions nous doter d’une installation qui révolutionnerait le domaine de la microscopie et de l’étude des matériaux », indique Gianluigi Botton, le chercheur principal du Brockhouse : « Il est maintenant sur le point de voir le jour. »

La construction du bâtiment, qui abritera un microscope électronique par transmission de grande puissance capable de produire des images d’une résolution sans précédent à l’échelle mondiale, est maintenant terminée. La technologie qui est mise en œuvre dans les microscopes électroniques existants produit des images qui comportent des distorsions en raison de la présence — inévitable — de minuscules aberrations dans les lentilles. Au CCEM, on éliminera une partie de ces distorsions au moyen de correcteurs d’aberration. Grâce à ces dispositifs, il sera possible d’atteindre des résolutions inférieures à un angström. Une autre particularité du microscope du CCEM sera la finesse du faisceau utilisé pour produire une image des échantillons. De moins de un angström, il permettra pour la première fois aux chercheurs d’observer des variations infimes du niveau d’énergie entre les liaisons chimiques, d’acquérir une meilleure compréhension des interfaces et des structures, et d’identifier les atomes et les molécules présents à l’intérieur de chaque petite particule.

Les échantillons qui seront examinés au CCEM doivent être extrêmement fins, au nanomètre près. Pour les préparer, les scientifiques font appel à des installations comme celles de l’Université de l’Alberta, à Edmonton, qui possède aussi de nombreux microscopes de haut calibre. Là, les chercheurs peuvent découper des échantillons en lames de dix atomes d’épaisseur, parfaites pour l’examen au microscope électronique.

L’Université de l’Alberta accueille maintenant un autre centre de recherche, l’Electrical and Computer Engineering Research Facility (ECERF) (Disponible en anlais seulement), logé dans un immeuble de sept étages. Juste à côté, se dresse le tout nouveau bâtiment de l’Institut national de nanotechnologie (INN), issu d’un projet conjoint entre l’Université et le Conseil national de recherches. Ces deux immeubles abritent les deux nouveaux microscopes électroniques à balayage de l’Integrated Nanosystems Research Facility (INRF). L’un de ces microscopes emploie un faisceau ionique localisé et l’autre une sonde à balayage. Si l’on en croit David Lynch, doyen de la Faculté de génie de l’Université de l’Alberta, ces microscopes jumeaux permettront à des chercheurs comme Dew de fabriquer tout ce qu’ils désirent, des téléphones cellulaires les plus plats aux superordinateurs les plus compacts.

Dans son travail de mise au point de nouvelles composantes, Dew utilise aussi les installations de l’Alberta Centre for Surface Engineering and Science (ACSES), un laboratoire de l’Université équipé d’une multitude d’instruments permettant d’étudier la surface des matériaux. Jumelés aux nouveaux microscopes de l’INRF, les appareils de l’ACSES lui permettront dorénavant de manipuler les composants qu’il observe. Ces installations, qui ont déjà une importance intrinsèque pour la recherche, ont aussi le mérite de réunir sous un même toit une foule de scientifiques issus de différents domaines : biologistes, chimistes, ingénieurs et physiciens. Il faut dire que les recherches que mène Steven Dew font intervenir des techniques d’assemblage à partir d’ADN et d’anticorps qui sont peu familières à la plupart des ingénieurs.

« Le fait de disposer de tous ces appareils au même endroit crée des synergies intéressantes », indique le chercheur. Plutôt que d’avoir à changer de pavillon, ou même de continent, je peux tout simplement frapper à la porte d’à côté pour obtenir des solutions à mes problèmes. »

RETOMBÉES

Les nanotechnologies trouvent des applications dans les domaines les plus divers et profitent même à la prospère industrie des sables bitumineux du Nord-Est de l’Alberta, où l’on exploite l’une des plus importantes réserves de pétrole du monde.

Murray Gray, un chercheur de l’Université de l’Alberta qui étudie les sables bitumineux, utilise les ressources en analyse des surfaces de l’ACSES et de l’INRF pour accroître la production de pétrole brut à partir du bitume, un hydrocarbure présent dans les sables pétrolifères. En effet, une partie du pétrole ne peut être extraite lorsqu’il y a dépôt d’un résidu solide, appelé coke, au craquage, une étape qui vise à débarrasser le bitume de ses impuretés. Grâce à ses recherches sur les fines couches de coke dans différents environnements d’exploitation, Gray peut aider Syncrude Canada à augmenter sa production de pétrole brut de 3 à 5 p. 100 « Cela peut paraître insignifiant, dit Gray, mais sur une production quotidienne de 350 000 barils par jour, ces pourcentages représentent une quantité significative. Maintenant, l’entreprise gaspille moins et utilise mieux la ressource. »

Tirer le meilleur parti des ressources est également l’objectif que vise Alex Adronov, de l’Université McMaster. Ce dernier mise sur certaines des propriétés impressionnantes des nanotubes de carbone, notamment la conductivité et la résistance, pour améliorer le taux d’absorption de l’énergie du soleil par les cellules solaires.

Même les meilleures cellules solaires ne réussissent à capter qu’environ 30 p. 100 de l’énergie disponible. Les électrons libérés par les polymères sont capricieux et tendent à revenir vers leur source plutôt que de se convertir en électricité. Adronov veut utiliser la conductivité et la structure longue et mince des nanotubes de carbone pour capter les électrons et les éloigner le plus rapidement possible du polymère.

Adronov pourra utiliser le microscope du CCEM pour observer les liaisons chimiques entre les polymères et les nanotubes conducteurs. « Je dois utiliser la microscopie à haute résolution pour étudier les interactions entre les nanotubes et les polymères, dit-il. Or, il n’y a pas encore de microscope véritablement adéquat pour cela. La mise en service du CCEM marquera le début d’une ère nouvelle pour la microscopie et les nanotechnologies. Elle nous donnera de nouveaux outils qui rendront nos travaux plus efficaces et plus productifs. »

PARTENAIRES

En microscopie nanométrique, la plus infime vibration — les pas d’un visiteur plus loin sur l’étage, une fluctuation d’un demi-degré de la température ou la présence de courants électriques à proximité — peut perturber l’observation. On doit donc consacrer des millions de dollars à la construction de planchers flottants indépendants, à des systèmes précis de conditionnement de l’air ou au blindage électromagnétique des laboratoires. C’est ce qui explique que les centres de recherche comme l’Integrated Nanosystems Research Facility et le Canadian Centre for Electron Microscopy sont généralement mis en œuvre par des partenariats formés de nombreux organismes, gouvernements et entreprises privées qui en partagent les installations et les coûts.

Le Conseil national de recherches et d’autres organismes gouvernementaux, ainsi que des chercheurs rattachés à des universités du Canada tout entier, auront accès aux laboratoires de l’INRF et du CCEM. Des sociétés qui exploitent et transforment les sables bitumineux, comme Syncrude Canada et l’Impériale, ont investi des sommes considérables dans les installations de l’Université de l’Alberta, et le centre de l’Université McMaster est lui aussi soutenu par l’entreprise privée.

Par ailleurs, comme le souligne Gianluigi Botton, les installations de l’Université McMaster suscitent beaucoup d’intérêt dans la communauté scientifique internationale. Il sera donc possible d’échanger du temps d’utilisation avec des installations de pointe complémentaires en Amérique du Nord ou ailleurs dans le monde. « Il s’agit d’une très bonne affaire pour tous les chercheurs canadiens », précise-t-il.

POUR EN SAVOIR PLUS

Le Centre d’innovation de l’Impériale sur les sables pétrolifères, logé à l’Université de l’Alberta, constitue une source d’innovation de premier plan pour le développement de technologies liées à l’exploitation des sables bitumineux. (Site anglophone)