James Gimlewski: "Avec les propriétés mécaniques des molécules on peut faire beaucoup de choses"
James Gimlewski: "Avec les propriétés mécaniques des molécules on peut faire beaucoup de choses"
Il a travaillé à l'entreprise IBM à Zurich, puis a quitté Los Angeles à l'UCLA. Comment a été votre travail dans ces laboratoires?
Oui, j'ai travaillé dans le laboratoire de Zurich depuis 1983, époque où le microscope à effet tunnel a été développé. Depuis lors, j'ai étudié la science de la nanoéchelle. Puis, en février 2001, je suis allé en Californie pour travailler à l'UCLA et à l'Institut de Nanosystèmes de Californie. L'institut a été mis en place entre l'UCLA et l'Université de Santa Barbara. Il s'agit d'un projet de 200 millions de dollars.
Dans le laboratoire de Zurich, la société IBM a développé un projet de mouvement d'atomes par un à travers le microscope à effet tunnel. Avez-vous participé à ce projet?
Oui. Le microscope à effet tunnel a été développé par les physiciens Heinrich Rohrer et Gerd Binnig, obtenant l'outil de "visualisation" de l'atome. En outre, il a été constaté que cet instrument a la capacité de déplacer des atomes. Dans ce cadre, j'ai commencé à participer.
Au début, je me suis impliqué dans des projets de conception de molécules complexes. Ce sont des molécules d'environ 150 atomes. Nous les manipulons de plusieurs manières : nous pouvons les placer où nous voulons, nous pouvons changer d'aspect, etc.
Plus tard, j'ai commencé à travailler avec les fulerenos, avec ces cages de 60 carbone. Pour l'élaboration des puces, il est prévu de préparer des réactions chimiques qui lient les composants par l'assemblage naturel; les fulerènes seraient les précurseurs de ces réactions. Mais ce n'est qu'une partie de ma recherche.
Comment définissez-vous la nanotechnologie?
C'est un concept très large. La nanotechnologie est une combinaison de processus de biochimie, chimie, électricité et ingénierie à l'échelle du nanomètre, qui se compose de la technologie des systèmes d'au moins un (taille approximative de trois atomes) et un maximum de 100 nanomètres (environ un cinquième de l'épaisseur d'un poil). Ces processus déterminent les caractéristiques de la matière, mais les systèmes sont très complexes.
On peut étudier les premiers systèmes biologiques de compréhension de la nanomécanique, base de beaucoup d'entre eux. Par exemple, les chaînes d'ADN dans les cellules souches sont également stockées dans le noyau, à laquelle des structures similaires aux ressorts sont saisies. Ces « ressorts » peuvent être modifiés chimiquement de manière contrôlée, en adaptant la topologie de l'ADN et en provoquant l'expression des gènes de la forme désirée. Par conséquent, nous pourrions transformer les cellules souches en cellules hépatiques, rénales… dans le type de cellules désirées.
En outre, s'il est possible de concevoir des systèmes avec micromécanique de silicium contenant une quinzaine de l'épaisseur d'un cheveu, des capteurs de mouvement nanomécanique peuvent être réalisés en fonction de leurs caractéristiques biochimiques. Enfin, une pile de systèmes moléculaires de complexité moyenne peut mécaniquement modifier d'autres molécules. L'idée générale me semble très intéressante car à travers les courants d'électrons et les propriétés mécaniques on peut faire beaucoup de choses. Jusqu'à présent, peu de recherches ont été faites sur cette idée.
Certaines nouvelles mentionnent des lubrifiants pour nanomaquines. Est-ce que la friction mécanique est générée sur ces machines à nanoéchelle ?
Dans la friction classique deux objets contigus se touchent et des interactions entre les rides présentes sur les surfaces sont créées. Ces interactions sont interélectroniques, mais peuvent apparaître d'un point de vue macroscopique par la force du frottement.
Dans la nanomécanique, les interactions entre les électrons à deux molécules peuvent aussi entraver le mouvement, mais il n'y a pas de "frictions macroscopiques". Pour surmonter ces inconvénients, si entre ces deux molécules entre une autre qui fait la fonction de roue, même si elle n'a pas une friction classique, l'interaction de roue et l'autre molécule peut être traitée comme un courant d'électrons. Ce sont des interactions en fonction des niveaux énergétiques des deux systèmes, tout comme celles qui contrôlent les liaisons chimiques et les forces de Van der Waals. Il faut développer de nouvelles idées dans ce type de systèmes, mais à la fin il y a une force de résistance, en définitive il faut dépasser la barrière énergétique de rotation. Si la barrière est inférieure à l'énergie thermique, le mouvement se produira.
D'autre part, quand il s'agit de localiser des atomes simples à un endroit donné, n'est-ce pas un avantage l'interaction entre des électrons?
Oui, ces processus sont très utiles, surtout à basse température. L'énergie thermique est faible et la force atomique est élevée. Vous pouvez donc attraper un atome. À température ambiante, cependant, il est seulement possible de pousser les molécules, car ils ne supportent pas l'aiguille du microscope.
Sur son site internet, vous disposez d'un documentaire en ligne sur la nanotechnologie dans lequel vous pouvez voir comment les fulerens se déplacent sur une surface. Ces expériences sont faites à température ambiante.
Oui. Je savais que dans les laboratoires de l'UCLA on utilisait le microscope à effet tunnel à basse température à 4K (-269ºC). Moi, en revanche, je voulais analyser comment les molécules agissent dans les conditions habituelles dans lesquelles nous vivons et comment elles peuvent changer. D'autre part, travailler à basse température suppose un certain nombre d'avantages puisque certaines molécules ne sont pas faciles à manipuler.
Dans votre expérience, vous avez réussi à changer l'aspect des fulerenos. Comment faites-vous ?
La structure électronique des fulerenos est très curieuse. Ce sont des sphères de grande surface et les niveaux d'énergie vides permettent d'interagir avec d'autres molécules à partir de cette surface. De l'aiguille du microscope à cette surface les électrons sont transportés par l'effet tunnel, mais la molécule, serrée mécaniquement, peut changer son apparence. Cela modifie la symétrie de la molécule et donc les niveaux d'énergie, modifiant le courant d'effet tunnel.
Cela signifie qu'on peut ainsi détecter des forces de nanonewtones, c'est-à-dire un milliard d'un newton, une force capable de compresser un fulerène (notez qu'un newton est la force nécessaire pour maintenir un poids d'environ un kilo). Cette petite force provoque un grand changement dans le courant des électrons du microscope. Par conséquent, notre intention est de concevoir un amplificateur électromécanique, amplifié par l'apparence des molécules. De plus, c'est un processus réversible.
Avez-vous fait une expérience dans un fulerène avec un atome?
Nous n'avons jamais placé les atomes dans les fulerènes C 82 (plus grands que les atomes conventionnels). Les atomes ne sont pas situés dans le centre, car ce n'est pas un emplacement d'énergie minimale, mais il est calculé qu'il ya trois emplacements d'énergie minimale. Nous voulons savoir si dans ce type de systèmes l'atome intérieur peut varier d'un endroit à l'autre de manière contrôlée et si ce changement affecte le courant d'électrons du microscope. Je ne pense pas que l'idée a réussi parce que la température ambiante est très difficile pour l'atome de rester dans une seule position, mais l'idée me semble très intéressante. En ordonnant une pile de systèmes de ce type sur une surface, on peut faire une puce de mémoire dans laquelle chaque bit n'est pas binaire mais ternaire. La puce serait très petite.
Vous avez également réalisé des expériences d'un seul électron. Comment un électron peut-il participer à une expérience ?
Ils sont généralement réalisés par de petits biomolécules. Ces biomolécules peuvent recevoir un électron et, quand ceci se produit, leur énergie change. Cependant, en raison de ce changement, la molécule ne peut plus recevoir d'électrons et sert donc à réaliser des processus d'un seul électron pour la fabrication de nanotransisteurs et de composants de biochips.
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