Nanotechnology is calling, microscopes are answering

Les nanotechnologies sous le microscope

Des chercheurs de l’Université de l’Alberta et de l’Université McMaster mettent au point des microscopes qui permettront de conquérir l’univers en pleine expansion des nanotechnologies
1 novembre 2006

<p>​Comme si les t&eacute;l&eacute;phones cellulaires n&rsquo;&eacute;taient pas d&eacute;j&agrave; suffisamment petits et perfectionn&eacute;s, <strong>Steven Dew</strong>, professeur en g&eacute;nie et vice-doyen de l&rsquo;Universit&eacute; de l&rsquo;Alberta, m&egrave;ne des travaux en vue de remplacer leurs puces &agrave; transistors de microdimension par des composants de taille nanom&eacute;trique invisibles &agrave; l&rsquo;&oelig;il nu. De telles puces pourraient accro&icirc;tre de fa&ccedil;on exponentielle les capacit&eacute;s multit&acirc;ches des t&eacute;l&eacute;phones cellulaires, des ordinateurs et des appareils m&eacute;dicaux, tout en les rendant encore plus petits et encore plus performants. En fait, plus les recherches avancent et plus il devient &eacute;vident que la nanotechnologie rec&egrave;le des possibilit&eacute;s infinies.</p>
<p>Toutefois, la manipulation, l&rsquo;&eacute;tude et l&rsquo;utilisation de composants si petits qu&rsquo;il est impossible de les voir posent un d&eacute;fi fondamental. Pour se faciliter la t&acirc;che, Dew et d&rsquo;autres chercheurs qui travaillent &agrave; l&rsquo;&eacute;chelle nanom&eacute;trique se sont attel&eacute;s &agrave; la mise au point de microscopes de force sup&eacute;rieure, capables de magnifier une image jusqu&rsquo;au niveau atomique, soit jusqu&rsquo;&agrave; 30 millions de fois, ce qui rend possible l&rsquo;examen, la coupe et la manipulation d&rsquo;&eacute;chantillons &agrave; cette &eacute;chelle. La technologie qu&rsquo;on est en train de d&eacute;velopper &agrave; l&rsquo;Universit&eacute; de l&rsquo;Alberta et &agrave; l&rsquo;Universit&eacute; McMaster permettra aux scientifiques de faire tout cela, et m&ecirc;me plus encore.</p>
<p>&laquo; La science des surfaces est une discipline qui a d&eacute;j&agrave; ses lettres de noblesse &raquo;, pr&eacute;cise <strong>John Preston</strong>, directeur du <strong>Brockhouse Institute for Materials Research de l&rsquo;Universit&eacute; McMaster</strong>, un centre de recherche de pointe en nanotechnologie situ&eacute; &agrave; Hamilton, en Ontario. Mais jusqu&rsquo;&agrave; maintenant, m&ecirc;me les calculs les plus complexes et les meilleurs instruments ne permettaient aux chercheurs que d&rsquo;en arriver &agrave; des inf&eacute;rences, autrement dit &agrave; une compr&eacute;hension partielle de leur objet d&rsquo;&eacute;tude, parce qu&rsquo;ils ne pouvaient pas en voir concr&egrave;tement les d&eacute;tails. &laquo; Lorsque vous pouvez observer et mesurer directement un ph&eacute;nom&egrave;ne, vous savez vraiment ce qui se produit. Vous pouvez alors faire preuve de plus de cr&eacute;ativit&eacute; dans vos exp&eacute;riences et, en d&eacute;finitive, tout le domaine en b&eacute;n&eacute;ficie et &eacute;volue plus rapidement. &raquo; 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 pr&eacute;cis&eacute;ment cet avantage.</p>
<p>&laquo; Nous voulions nous doter d&rsquo;une installation qui r&eacute;volutionnerait le domaine de la microscopie et de l&rsquo;&eacute;tude des mat&eacute;riaux &raquo;, indique <strong>Gianluigi Botton</strong>, le chercheur principal du Brockhouse : &laquo; Il est maintenant sur le point de voir le jour. &raquo;</p>
<p>La construction du b&acirc;timent, qui abritera un microscope &eacute;lectronique par transmission de grande puissance capable de produire des images d&rsquo;une r&eacute;solution sans pr&eacute;c&eacute;dent &agrave; l&rsquo;&eacute;chelle mondiale, est maintenant termin&eacute;e. La technologie qui est mise en &oelig;uvre dans les microscopes &eacute;lectroniques existants produit des images qui comportent des distorsions en raison de la pr&eacute;sence &mdash; in&eacute;vitable &mdash; de minuscules aberrations dans les lentilles. Au CCEM, on &eacute;liminera une partie de ces distorsions au moyen de correcteurs d&rsquo;aberration. Gr&acirc;ce &agrave; ces dispositifs, il sera possible d&rsquo;atteindre des r&eacute;solutions inf&eacute;rieures &agrave; un angstr&ouml;m. Une autre particularit&eacute; du microscope du CCEM sera la finesse du faisceau utilis&eacute; pour produire une image des &eacute;chantillons. De moins de un angstr&ouml;m, il permettra pour la premi&egrave;re fois aux chercheurs d&rsquo;observer des variations infimes du niveau d&rsquo;&eacute;nergie entre les liaisons chimiques, d&rsquo;acqu&eacute;rir une meilleure compr&eacute;hension des interfaces et des structures, et d&rsquo;identifier les atomes et les mol&eacute;cules pr&eacute;sents &agrave; l&rsquo;int&eacute;rieur de chaque petite particule.</p>
<p>Les &eacute;chantillons qui seront examin&eacute;s au CCEM doivent &ecirc;tre extr&ecirc;mement fins, au nanom&egrave;tre pr&egrave;s. Pour les pr&eacute;parer, les scientifiques font appel &agrave; des installations comme celles de l&rsquo;Universit&eacute; de l&rsquo;Alberta, &agrave; Edmonton, qui poss&egrave;de aussi de nombreux microscopes de haut calibre. L&agrave;, les chercheurs peuvent d&eacute;couper des &eacute;chantillons en lames de dix atomes d&rsquo;&eacute;paisseur, parfaites pour l&rsquo;examen au microscope &eacute;lectronique.</p>
<p>L&rsquo;Universit&eacute; de l&rsquo;Alberta accueille maintenant un autre centre de recherche, l&rsquo;<strong>Electrical and Computer Engineering Research Facility</strong> (ECERF) (Disponible en anlais seulement), log&eacute; dans un immeuble de sept &eacute;tages. Juste &agrave; c&ocirc;t&eacute;, se dresse le tout nouveau b&acirc;timent de l&rsquo;<strong>Institut national de nanotechnologie</strong> (INN), issu d&rsquo;un projet conjoint entre l&rsquo;Universit&eacute; et le Conseil national de recherches. Ces deux immeubles abritent les deux nouveaux microscopes &eacute;lectroniques &agrave; balayage de l&rsquo;Integrated Nanosystems Research Facility (INRF). L&rsquo;un de ces microscopes emploie un faisceau ionique localis&eacute; et l&rsquo;autre une sonde &agrave; balayage. Si l&rsquo;on en croit <strong>David Lynch</strong>, doyen de la Facult&eacute; de g&eacute;nie de l&rsquo;Universit&eacute; de l&rsquo;Alberta, ces microscopes jumeaux permettront &agrave; des chercheurs comme Dew de fabriquer tout ce qu&rsquo;ils d&eacute;sirent, des t&eacute;l&eacute;phones cellulaires les plus plats aux superordinateurs les plus compacts.</p>
<p>Dans son travail de mise au point de nouvelles composantes, Dew utilise aussi les installations de l&rsquo;Alberta Centre for Surface Engineering and Science (ACSES), un laboratoire de l&rsquo;Universit&eacute; &eacute;quip&eacute; d&rsquo;une multitude d&rsquo;instruments permettant d&rsquo;&eacute;tudier la surface des mat&eacute;riaux. Jumel&eacute;s aux nouveaux microscopes de l&rsquo;INRF, les appareils de l&rsquo;ACSES lui permettront dor&eacute;navant de manipuler les composants qu&rsquo;il observe. Ces installations, qui ont d&eacute;j&agrave; une importance intrins&egrave;que pour la recherche, ont aussi le m&eacute;rite de r&eacute;unir sous un m&ecirc;me toit une foule de scientifiques issus de diff&eacute;rents domaines : biologistes, chimistes, ing&eacute;nieurs et physiciens. Il faut dire que les recherches que m&egrave;ne Steven Dew font intervenir des techniques d&rsquo;assemblage &agrave; partir d&rsquo;ADN et d&rsquo;anticorps qui sont peu famili&egrave;res &agrave; la plupart des ing&eacute;nieurs.</p>
<p>&laquo; Le fait de disposer de tous ces appareils au m&ecirc;me endroit cr&eacute;e des synergies int&eacute;ressantes &raquo;, indique le chercheur. Plut&ocirc;t que d&rsquo;avoir &agrave; changer de pavillon, ou m&ecirc;me de continent, je peux tout simplement frapper &agrave; la porte d&rsquo;&agrave; c&ocirc;t&eacute; pour obtenir des solutions &agrave; mes probl&egrave;mes. &raquo;</p>
<p><strong>RETOMB&Eacute;ES</strong></p>
<p>Les nanotechnologies trouvent des applications dans les domaines les plus divers et profitent m&ecirc;me &agrave; la prosp&egrave;re industrie des sables bitumineux du Nord-Est de l&rsquo;Alberta, o&ugrave; l&rsquo;on exploite l&rsquo;une des plus importantes r&eacute;serves de p&eacute;trole du monde.</p>
<p><strong>Murray Gray</strong>, un chercheur de l&rsquo;Universit&eacute; de l&rsquo;Alberta qui &eacute;tudie les sables bitumineux, utilise les ressources en analyse des surfaces de l&rsquo;ACSES et de l&rsquo;INRF pour accro&icirc;tre la production de p&eacute;trole brut &agrave; partir du bitume, un hydrocarbure pr&eacute;sent dans les sables p&eacute;trolif&egrave;res. En effet, une partie du p&eacute;trole ne peut &ecirc;tre extraite lorsqu&rsquo;il y a d&eacute;p&ocirc;t d&rsquo;un r&eacute;sidu solide, appel&eacute; coke, au craquage, une &eacute;tape qui vise &agrave; d&eacute;barrasser le bitume de ses impuret&eacute;s. Gr&acirc;ce &agrave; ses recherches sur les fines couches de coke dans diff&eacute;rents environnements d&rsquo;exploitation, Gray peut aider Syncrude Canada &agrave; augmenter sa production de p&eacute;trole brut de 3 &agrave; 5 p. 100 &laquo; Cela peut para&icirc;tre insignifiant, dit Gray, mais sur une production quotidienne de 350 000 barils par jour, ces pourcentages repr&eacute;sentent une quantit&eacute; significative. Maintenant, l&rsquo;entreprise gaspille moins et utilise mieux la ressource. &raquo;</p>
<p>Tirer le meilleur parti des ressources est &eacute;galement l&rsquo;objectif que vise <strong>Alex Adronov</strong>, de l&rsquo;Universit&eacute; McMaster. Ce dernier mise sur certaines des propri&eacute;t&eacute;s impressionnantes des nanotubes de carbone, notamment la conductivit&eacute; et la r&eacute;sistance, pour am&eacute;liorer le taux d&rsquo;absorption de l&rsquo;&eacute;nergie du soleil par les cellules solaires.</p>
<p>M&ecirc;me les meilleures cellules solaires ne r&eacute;ussissent &agrave; capter qu&rsquo;environ 30 p. 100 de l&rsquo;&eacute;nergie disponible. Les &eacute;lectrons lib&eacute;r&eacute;s par les polym&egrave;res sont capricieux et tendent &agrave; revenir vers leur source plut&ocirc;t que de se convertir en &eacute;lectricit&eacute;. Adronov veut utiliser la conductivit&eacute; et la structure longue et mince des nanotubes de carbone pour capter les &eacute;lectrons et les &eacute;loigner le plus rapidement possible du polym&egrave;re.</p>
<p>Adronov pourra utiliser le microscope du CCEM pour observer les liaisons chimiques entre les polym&egrave;res et les nanotubes conducteurs. &laquo; Je dois utiliser la microscopie &agrave; haute r&eacute;solution pour &eacute;tudier les interactions entre les nanotubes et les polym&egrave;res, dit-il. Or, il n&rsquo;y a pas encore de microscope v&eacute;ritablement ad&eacute;quat pour cela. La mise en service du CCEM marquera le d&eacute;but d&rsquo;une &egrave;re nouvelle pour la microscopie et les nanotechnologies. Elle nous donnera de nouveaux outils qui rendront nos travaux plus efficaces et plus productifs. &raquo;</p>
<p><strong>PARTENAIRES</strong></p>
<p>En microscopie nanom&eacute;trique, la plus infime vibration &mdash; les pas d&rsquo;un visiteur plus loin sur l&rsquo;&eacute;tage, une fluctuation d&rsquo;un demi-degr&eacute; de la temp&eacute;rature ou la pr&eacute;sence de courants &eacute;lectriques &agrave; proximit&eacute; &mdash; peut perturber l&rsquo;observation. On doit donc consacrer des millions de dollars &agrave; la construction de planchers flottants ind&eacute;pendants, &agrave; des syst&egrave;mes pr&eacute;cis de conditionnement de l&rsquo;air ou au blindage &eacute;lectromagn&eacute;tique des laboratoires. C&rsquo;est ce qui explique que les centres de recherche comme l&rsquo;Integrated Nanosystems Research Facility et le Canadian Centre for Electron Microscopy sont g&eacute;n&eacute;ralement mis en &oelig;uvre par des partenariats form&eacute;s de nombreux organismes, gouvernements et entreprises priv&eacute;es qui en partagent les installations et les co&ucirc;ts.</p>
<p>Le Conseil national de recherches et d&rsquo;autres organismes gouvernementaux, ainsi que des chercheurs rattach&eacute;s &agrave; des universit&eacute;s du Canada tout entier, auront acc&egrave;s aux laboratoires de l&rsquo;INRF et du CCEM. Des soci&eacute;t&eacute;s qui exploitent et transforment les sables bitumineux, comme Syncrude Canada et l&rsquo;Imp&eacute;riale, ont investi des sommes consid&eacute;rables dans les installations de l&rsquo;Universit&eacute; de l&rsquo;Alberta, et le centre de l&rsquo;Universit&eacute; McMaster est lui aussi soutenu par l&rsquo;entreprise priv&eacute;e.</p>
<p>Par ailleurs, comme le souligne Gianluigi Botton, les installations de l&rsquo;Universit&eacute; McMaster suscitent beaucoup d&rsquo;int&eacute;r&ecirc;t dans la communaut&eacute; scientifique internationale. Il sera donc possible d&rsquo;&eacute;changer du temps d&rsquo;utilisation avec des installations de pointe compl&eacute;mentaires en Am&eacute;rique du Nord ou ailleurs dans le monde. &laquo; Il s&rsquo;agit d&rsquo;une tr&egrave;s bonne affaire pour tous les chercheurs canadiens &raquo;, pr&eacute;cise-t-il.</p>
<p><strong>POUR EN SAVOIR PLUS</strong></p>
<p>Le <strong>Centre d&rsquo;innovation de l&rsquo;Imp&eacute;riale sur les sables p&eacute;trolif&egrave;res</strong>, log&eacute; &agrave; l&rsquo;Universit&eacute; de l&rsquo;Alberta, constitue une source d&rsquo;innovation de premier plan pour le d&eacute;veloppement de technologies li&eacute;es &agrave; l&rsquo;exploitation des sables bitumineux. (<em>Site anglophone</em>)</p>