Je regarde l'invisible
Voir: interpréter notre environnement à travers les rayons de lumière qui atteignent les yeux. Mais que se passe-t-il si ce que nous voulons voir est 500 ou 100 fois plus petit qu’un photon – une particule de lumière ? Pour voir les atomes et les molécules, la lumière ne sert à rien. Nous marchons à l'aveugle.
au début des années 1980, deux physiciens allemands travaillant chez IBM ont révolutionné le monde de la science avec une invention qui leur aurait valu le prix Nobel en 1986 : le microscope à effet tunnel. L'invention consiste à approcher d'une surface une pointe mince qui se termine par un seul atome, à quelques angströms de distance. Avant de toucher la pointe et la surface, le courant électrique passe entre les deux. En mesurant ce courant, on peut dessiner une carte topographique de la surface.
Dans le sous-sol du CICnanoSITE, à Saint-Sébastien, il y a un tel microscope. Elle ne le voit pas, elle le ressent comme un aveugle qui lit en braille. Le directeur de l'équipe de recherche Nanoimaging, Nacho Pascual, l'a ramené de Berlin. Il l'a conçu et construit avec son équipe.
NACHO PASCUAL CICnanoZONE & #160;: Lorsque nous avons décidé de travailler dans les conditions de ce système, il n'y avait pas de telles machines et nous avons dû les développer nous-mêmes. C'était un grand défi. Bien que la technologie fût connue, nous voulions travailler avec des températures cryogéniques: 4° K, c'est-à-dire -269° C. C'était indispensable pour que les atomes restent immobiles.
À température ambiante, les atomes bougent constamment. Il serait impossible de les examiner et de les manipuler séparément. Un cryostat d'hélium a donc été couplé au microsphère et le tout placé dans un réservoir rempli d'azote liquide. Ils réussissent ainsi à travailler à 270 degrés au-dessous de zéro.
Si le froid est important pour que les atomes restent immobiles, le vide est indispensable pour les maintenir propres. Cette installation fonctionne à une pression de 10-13, avec le même vide dans l'espace intergalactique.
Avoir une surface composée d'atomes stables est très important non seulement pour étudier les atomes et la molécule, mais aussi pour les manipuler. Si la pointe du microscope s'approche un peu plus, les atomes peuvent être déplacés vers un autre point de la surface. Ainsi, en déplaçant les atomes un par un, ont été créées les images qui composent ce film réalisé par IBM. Mais le but de la manipulation des atomes n'est pas de faire des dessins, bien sûr, mais d'étudier leurs propriétés.
NACHO PASCUAL CICnanoZONE & #160;: Les atomes sont des briques de matériaux. Les médicaments, les combustibles, les disques durs qui contiennent des informations magnétiques, les propriétés de tous les matériaux dépendent de leur composition atomique. C'est-à-dire qu'elle dépend de la manière dont les atomes se réunissent les uns aux autres pour former de plus grandes structures. À l'échelle de quelques atomes, notre objectif est de construire de nouveaux matériaux et d'optimiser leur fonctionnement.
Cette autre image a été créée par Jingcheng Li, du groupe Nanoimaging, sur le même nanoSITE. D'une surface d'argent, il a extrait les atomes un par un, comme s'il arrachait le minerai de la carrière. Chaque atome mesure moins de deux angstromes et les a poussés avec la pointe du microscope jusqu'à former une circonférence.
JINGCHENG LI CICnanoZONE & #160;: Ceci est une chaîne de molécules. Nous plaçons les molécules sur une surface pour étudier les réactions chimiques entre elles. Ainsi, nous étudions sa lumière, sa force, et d'autres propriétés de ce genre.
Mais ce n'est pas un microscope normal à effet tunnel. L'équipe de Nacho Pascual a inséré un petit diapason de quartz à l'extrémité, de sorte que même les matériaux non conducteurs d'électricité puissent être analysés.
NACHO PASCUAL CICnanoZONE & #160;: C'est une mode. Les scientifiques fonctionnent également selon les modes! L'un des problèmes de ce microscope est que nous utilisons l'électricité pour mesurer la distance entre la pointe et la surface et qu'il ne fonctionne donc qu'avec des matériaux conducteurs. Nous avons inséré un diapason de quartz, comme celui des montres, sur le bord duquel nous avons collé la pointe du microscope. Le diapason oscille toujours, et en mesurant les variations de cette fréquence d'oscillation, nous pouvons détecter les interactions mécaniques entre la pointe et l'échantillon. C'est très utile, car même sans écoulement de courant, nous pouvons savoir que la pointe s'approche.
Grâce au diapason de quartz, le microscope à effet tunnel fonctionne également comme un microscope à force atomique. Deux appareils en un. Mais une fois que vous avez commencé à construire votre propre machine, une troisième fonction a été ajoutée: la spectroscopie optique.
NACHO PASCUAL CICnanoZONE & #160;: C'est l'un des avantages de concevoir et de construire votre propre machine ! Je pense que c'est la seule machine au monde à remplir ces trois fonctions. Grâce à un spectromètre, nous mesurons l'effet photovoltaïque. Dans les panneaux solaires, par exemple, lorsqu'un photon arrive, un électron est émis. Et inversement, un électron peut émettre un photon. C'est ce que nous faisons, nous envoyons des électrons entre la pointe et l'échantillon, et nous détectons les électrons qui sont émis.
Le microscope est arrivé de Berlin en octobre et a été mis en service en janvier. Pour être installés dans ce laboratoire, ils ont dû effectuer des travaux d'adaptation qui assuraient une isolation optimale.
NACHO PASCUAL CICnanoZONE & #160;: La pointe du microscope doit être approchée de l'échantillon à une distance d'environ un nanomètre. Si vous pouviez voir comment les murs de ce bâtiment se déplacent, vous verriez des oscillations de plusieurs microns. C'est-à-dire 1000 ou 10 000 fois cette distance. Si on laissait le microscope ici, il bougerait comme ça et ne serait pas stable. C'est pourquoi il est si important de vous protéger des vibrations.
Le microscope lui-même est suspendu par des ressorts à l'intérieur du cryostat. La machine entière repose sur quatre pieds pneumatiques, c'est-à-dire sur l'air. Et le sol de la pièce est également isolé du bâtiment.
NACHO PASCUAL CICnanoZONE & #160;: Pour fonctionner correctement au microscope, il doit être isolé des vibrations environnantes. Bien que nous ne le voyions pas, quand les voitures ou le train passent, le sol tremble. C'est pourquoi nous l'avons construit sur ce bloc ici. il s'agit d'un bloc de ciment de 30 tonnes qui repose sur quatre pattes pneumatiques. C'est un pneu de train. on lui met une pression de 7 bars et on soulève tout le bloc.
En outre, les murs du laboratoire sont insonorisés et isolés des ondes électromagnétiques. Tout pour que rien ne puisse endommager les mesures. En fait, si nous disons souvent que le travail d'un horloger ou d'un chirurgien est de haute précision, si nous parlons de travailler à l'échelle nanométrique, le mot précision est court.
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