Charles M. Lieber a reçu le premier prix de la recherche en nanotechnologie .
Le 2 décembre 2013
Le premier Nano Research Award sera décerné à Charles M. Lieber, l’un des principaux scientifiques mondiaux dans le domaine des nanosciences et des nanotechnologies. Le prix, qui est décerné pour la première fois cette année, est parrainé par Tsinghua University Press (TUP) et Springer. Le professeur Lieber a été invité à prononcer un discours lors du forum Sino-US Nano 2014 à Tianjin, en Chine.
Charles Lieber a reçu ce prix pour récompenser sa prodigieuse contribution à la science et à la technologie à l’échelle nanométrique. Ses travaux fondamentaux sur la croissance rationnelle, et les applications innombrables de fils et d’hétérostructures d’un diamètre de l’ordre du nanomètre ont défini un nouveau paradigme de la nanoscience et ont un impact colossal dans divers domaines technologiques allant de l’informatique, des communications, de l’optoélectronique et des sciences de l’énergie à la biologie et à la médecine.
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Charles Lieber « grâce à cette technologie, pour la première fois, nous pouvons travailler à l’échelle des cellules des systèmes biologiques sans perturber fortement leur fonctionnement. En fin de compte, il s’agit ici de faire fusionner des tissus biologiques avec l’électronique de telle manière qu’il devient difficile de déterminer où se termine le tissu et où l’électronique commence ».
Comment les nanostructures de graphène deviennent magnétiques
Le graphène, structure bidimensionnelle du carbone, est un matériau aux excellentes propriétés mécaniques, électroniques et optiques. Cependant, il ne semblait pas utilisable pour les applications magnétiques jusqu’à présent. En collaboration avec des partenaires internationaux, les chercheurs de l’Empa ont réussi à synthétiser une molécule prédite dans les années 70 qui prouve que certaines nanostructures de graphène ont des propriétés magnétiques qui pourraient permettre de futures applications spintroniques. Les résultats viennent d’être publiés dans la revue « Nature Nanotechnology ».
Selon la forme et l’orientation des bords, les nanostructures de graphène (également appelées nanographènes) peuvent avoir des propriétés très différentes - par exemple, elles peuvent être électriquement conductrices, semi-conductrices ou isolantes.
Cependant, une propriété a été pratiquement inaccessible jusqu’à présent : le magnétisme.
Les chercheurs de l’Empa, l’Université technique de Dresde, l’Université d’Aalto en Finlande, l’Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères à Mayence et l’Université de Berne ont réussi à construire une nanostructure en graphène aux propriétés magnétiques - et pourraient même être un composant décisif pour une électronique à spin qui fonctionne même à température ambiante.
Le graphène est constitué d’atomes de carbone, mais le magnétisme est une propriété qui n’est pas associée au carbone. Alors, comment le graphène peut-il devenir magnétique ?
Pour comprendre cela, une courte excursion dans le monde de la chimie et de la physique atomique est nécessaire. Dans le graphène, les atomes de carbone sont disposés comme un réseau en nid d’abeilles. Chaque atome de carbone entre en simple ou double liaison avec ses trois voisins. Dans une liaison simple, un électron de chaque atome - un électron dit de valence - se connecte à son voisin, et dans une double liaison, deux électrons se connectent entre eux. La représentation des composés organiques par alternance de liaisons simples et doubles est connue sous le nom de structure de Kekulé.
Il doit son nom au chimiste allemand August Kekulé, qui proposa ce modèle en 1865 pour le composé organique le plus simple, le benzène à six chaînons. Il découle du principe d’exclusion mécanique quantique de Wolfgang Pauli que les paires d’électrons situées dans la même orbite doivent différer dans leur sens de rotation - ce qu’on appelle le spin.
« Cependant, pour certaines structures hexagonales, il est impossible de trouver une séquence alternée de liaisons simples et doubles qui répondent aux exigences de liaison de tous les atomes de carbone. Avec ces structures, un ou plusieurs électrons qui ne peuvent pas se lier sont contraints de rester à l’extérieur », explique Shantanu Mishra, chercheuse de nano-graphies nouvelles dans le département « nanotech@surfaces » de l’Empa dirigé par Roman Fasel. Le phénomène des électrons non appariés involontairement est appelé « frustration topologique ».
Mais quel est le rapport avec le magnétisme ?
La réponse réside dans la « rotation » des électrons. La rotation d’un électron autour de son axe provoque un champ magnétique minuscule, un moment magnétique. Si, comme d’habitude, il y a deux électrons avec des spins opposés dans l’orbite d’un atome, ces champs magnétiques s’annulent. Cependant, si un électron est seul dans son orbite, le moment magnétique demeure - un champ magnétique mesurable en est le résultat.
Deux électrons frustrés dans une molécule
C’est fascinant en soi. Mais il faut plus pour pouvoir utiliser la rotation des électrons dans les éléments de circuit. Une réponse pourrait être une structure qui ressemble à un nœud papillon sous un microscope à effet tunnel.
Dans les années 1970, le chimiste tchèque Erich Clar, un expert dans le domaine des hydrocarbures aromatiques polycycliques, a prédit une structure spéciale appelée « Clar’s Goblet ». Il se compose de deux moitiés symétriques et est construit de telle manière qu’un électron dans chaque moitié doit rester topologiquement frustré. Cependant, comme les deux électrons sont reliés par la structure moléculaire, ils sont couplés antiferromagnétiquement, c’est-à-dire que leurs spins pointent nécessairement dans des directions opposées.
Dans son état antiferromagnétique, la coupe peut agir comme une porte logique « NOT », c’est-à-dire comme un onduleur : Si la rotation à l’entrée est inversée, la sortie doit également être forcée à tourner. Cependant, il est également possible d’amener la structure dans un état ferromagnétique, avec les deux spins dans la même direction. Pour ce faire, la structure doit être excitée avec une certaine énergie, l’énergie dite de couplage d’échange, de sorte que l’un des électrons inverse sa rotation.
Pour qu’une telle porte reste stable dans son état antiferromagnétique, elle ne doit pas passer spontanément à l’état ferromagnétique. Pour ce faire, l’énergie de couplage d’échange doit être supérieure à l’énergie libérée lors du fonctionnement du portail à température ambiante. C’est une condition préalable pour qu’un futur circuit spintronique (voir encadré) basé sur des nanostructures de graphène puisse fonctionner sans problème même à température ambiante.
De la théorie à la réalité
Jusqu’à présent, cependant, des nanostructures de carbone stables, couplées antiferromagnétiquement à température ambiante, n’étaient que théoriquement prévues. Maintenant, pour la première fois, il a été possible de reproduire une telle structure et de montrer que la théorie correspond réellement à la réalité. « Réaliser la structure est un défi parce que la synthèse chimique est très complexe et que la coupe de Clar est très réactive », explique Mishra. À partir d’une molécule précurseur, les chercheurs ont été en mesure de produire la coupe de Clar’s Goblet sous ultra-vide sur un substrat en or. Grâce à diverses expériences, ils ont pu démontrer que la molécule possède exactement les propriétés prévues.
Ils ont également découvert que l’énergie de couplage d’échange dans cette molécule est relativement élevée à 23 milliélectrons volts (meV) - et que les opérations logiques basées sur le spin pourraient donc être stables à température ambiante. « C’est un petit mais important pas dans la direction de la spintronique », déclare Roman Fasel. L’étude vient d’être publiée dans la célèbre revue « Nature Nanotechnology ».
Spintronics
La spintronique - composée des mots « spin » et « électronique » - est un domaine de recherche en nanotechnologie. Son but est de créer une électronique dans laquelle l’information n’est plus codée comme auparavant avec la charge électrique des électrons, mais avec le moment magnétique provoqué par la rotation de l’électron (« spin »). Ce spin d’électron est une propriété mécanique quantique - un seul électron peut avoir non seulement un état fixe « spin up » ou « spin down », mais une superposition mécanique quantique de ces deux états. A l’avenir, la spintronique pourrait non seulement permettre une miniaturisation plus poussée des circuits électroniques, mais aussi des éléments de commutation électriques aux propriétés entièrement nouvelles.
Des nanorobots apprennent à nager dans le sang
L’idée d’envoyer des robots microscopiques dans le corps humain pour le soigner n’appartient plus à la science-fiction… Une équipe de chercheurs de l’École polytechnique fédérale de Zurich et du Technion a testé avec succès un nanorobot-nageur guidé à l’aide d’un champ magnétique. Injecté dans le circuit sanguin, il pourrait aller diffuser un traitement médical de façon très ciblée.
On entend de plus en plus souvent parler de microrobots ou de nanorobots qui pourraient servir à la pharmacopée dans un avenir pas si lointain. Il y a quelques années déjà, nous parlions des expériences de l’université d’Harvard qui avait réalisé des nanorobots composés de brins d’ADN pour diffuser des médicaments de façon très ciblée à des cellules cancéreuses qui furent détruites à 50 %. L’année dernière, nous avons consacré un article à un microrobot à l’échelle du micron doté d’un système de propulsion inspiré du pétoncle.
Plus récemment, des chercheurs de l’université de Californie à San Diego (États-Unis) ont réussi une grande première en envoyant un nanorobot délivrer des médicaments dans un organisme vivant, en l’occurrence une souris. L’engin, qui mesure 20 micromètres de long et 5 micromètres de diamètre, était propulsé par des bulles de gaz produites par le contenu de l’estomac du rongeur.
La miniaturisation extrême n’est plus un obstacle technique mais il reste une importante difficulté : le contrôle du déplacement. Une fois injectés dans un organisme, ces petits soldats doivent être guidés pour aller diffuser un traitement médical exactement là où il faut, ce qui implique notamment de passer par le circuit sanguin. L’une des pistes techniques les plus prometteuses consiste à utiliser un champ magnétique externe. C’est l’option choisie par une équipe réunissant des scientifiques de l’École polytechnique fédérale de Zurich et du Technion, l’Institut israélien de technologie.
La nage du nanorobot diffère de celle d’un spermatozoïde ou d’une bactérie : ici, le flagelle ondule sous l’action d’un champ magnétique.
© American Chemical Society
Le nanorobot n’imite pas les flagelles des cellules vivantes mobiles
Dans un article qui vient d’être publié par la revue Nano Letters, les chercheurs décrivent leur « nanorobot-nageur », pas plus grand que l’épaisseur d’une fibre de soie. À cette échelle, les fluides corporels comme le sang ont une viscosité qui, à la nôtre, serait celle de la mélasse. Afin de lui conférer l’agilité nécessaire, les chercheurs ont créé un nanorobot de forme filaire mais articulé et constitué d’un segment en polymère suivi d’une alternance de nanofils métalliques (en nickel) et de polymères faisant office de charnières. Ils ont testé ce dispositif dans un liquide plus épais que du sang en le soumettant à un champ magnétique variable. Le nanorobot s’est alors mis à nager dans un mouvement ondulatoire, en forme de « s », et il pouvait être guidé en jouant sur le champ magnétique. Sa vitesse est équivalente à une fois la longueur de son corps par seconde.
Selon les chercheurs, ce design articulé confère à ce nanorobot une efficacité supérieure à celle d’autres modèles dont la conception s’inspire de la biologie avec un flagelle qui travaille sur un seul axe. « Les travaux de recherche précédents ont mis l’accent sur des design imitant le mouvement rotatif en tire-bouchon des flagelles bactériens ou le battement à plat des flagelles d’eucaryotes », peut-on lire dans l’article. La démonstration a de quoi impressionner, mais on ignore encore si les choses seraient aussi faciles en conditions réelles dans un organisme vivant. Comment ces nanorobots se comporteront-ils une fois soumis à la pression artérielle ? Que deviennent-ils une fois leur mission achevée ? Ces questions, et bien d’autres, vont alimenter les travaux des chercheurs sans doute pour encore un bon moment.
