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MICROSCOPIELES PRÉMICES DE L'INGÉNIERIE MOLÉCULAIRELes chercheurs zurichois d'IBM sont parvenus, par microscopie à effet tunnel, à former des dessins de molécules de quelques nanomètres. Et ce, à température ambiante. Un premier pas vers une véritable construction mécanique à l'échelle moléculaire.

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MICROSCOPIE

LES PRÉMICES DE L'INGÉNIERIE MOLÉCULAIRE

Les chercheurs zurichois d'IBM sont parvenus, par microscopie à effet tunnel, à former des dessins de molécules de quelques nanomètres. Et ce, à température ambiante. Un premier pas vers une véritable construction mécanique à l'échelle moléculaire.



Au Centre de recherche d'IBM de Zürich, un nouveau jeu vient d'être inventé: le domino moléculaire. En se servant de molécules organiques de porphyrine comme de briques, les chercheurs s'y amusent à construire des formes microscopiques ne mesurant guère plus de quelques nanomètres. Plus spectaculaire encore, ils se livrent à leur nouvelle passion à température ambiante. Ce qui, pour le chimiste conscient de l'agitation moléculaire qui règne vers 300 kelvins (27°C), est proprement stupéfiant! La construction mécanique à l'échelle moléculaire vient-elle de naître? Si oui, l'enjeu de ces recherches est immense. Tout particulièrement en microélectronique. "Jusqu'à présent, la seule méthode d'élaboration de microcircuits consiste à détruire par zones des matériaux déposés sur un substrat, explique James Gimzewski, chercheur chez IBM à Zurich. Mais cette technologie, pleine d'inconvénients, a en plus déjà pratiquement atteint ses limites physiques. Aussi, pourquoi ne pas remplacer simplement la destruction par la construction?" C'est-à-dire déposer atome par atome des structures sur un substrat. Les microcircuits ainsi formés posséderaient des parties d'une taille de l'ordre du nanomètre, à comparer avec les 350 nanomètres caractéristiques de certaines parties d'un microprocesseur Pentium. Mais avant de parvenir à ce but, les chercheurs ont encore bien du pain sur la planche. Pour arriver à déplacer à volonté des molécules, ils ont déjà dû acquérir la maîtrise absolue de chacun des paramètres influençant la situation. La surface de travail, tout d'abord, est une table de cuivre ultra-lisse, un plan parfait d'atomes. Les dominos moléculaires, constitués de nombreux exemplaires d'une certaine macromolécule organique, y sont déposés par diffusion sous vide. "Cette molécule qui ne comporte pas moins de 173 atomes, est une forme particulière de porphyrine: la porphyrine-TBP-cuivre. Elle est le parfait "animal de laboratoire" qu'il nous fallait pour de premières études de mécanique moléculaire", explique James Gimzewski. Pourquoi? Essentiellement à cause des avantages apportés par la forme très particulière de cette molécule: une table carrée et réversible, mesurant 1,7 nanomètre de côté, dont le plateau est constitué par la porphyrine et les pieds - ou plutôt les doubles pieds - par des groupes d'hydrocarbures qui s'élancent vers le haut et vers le bas. Grâce à cette architecture symétrique par rapport au plateau, cette porphyrine peut être retournée sur elle-même sans changement de sa configuration apparente. "Cette symétrie et cette forme si typique vue de haut rendent cette molécule identifiable au microscope quelle que soit sa position", explique James Gimzewski. Autre avantage de taille, la molécule de porphyrine "freine des quatre fers" avec ses pieds. Une faculté qui lui confère une adhérence forte à la surface de cuivre et donc limite drastiquement les mouvements thermiques qui agitent la plupart des molécules à température ambiante. Et puis les chercheurs ont dû apprendre à maîtriser à un degré jamais atteint auparavant la technique du microscope à effet tunnel (MET). Inventée en 1981 au Centre de recherche IBM de Zürich, cette technologie est au centre des recherches sur la mécanique moléculaire. Pour commencer, elle rend les chercheurs capables de s'orienter, c'est-à-dire d'obtenir de véritables "cartes du paysage moléculaire". Pour cela, une pointe métallique, contrôlée à l'aide d'une électronique très sophistiquée, est positionnée à quelques dizièmes de nanomètre de la surface. Par effet tunnel (un effet quantique), un courant très faible, de l'ordre du nanoampère, s'établit entre la pointe et la surface. Comme ce courant se modifie en fonction des accidents du paysage, sa mesure en continu et un balayage systématique permettent de caractériser le paysage étudié. C'est ce savoir-faire d'imagerie que les chercheurs ont détourné et perfectionné pour pousser les molécules avec la pointe de leur MET. Pour cela, ils abaissent simplement la molécule de deux dizièmes de nanomètre afin de lui faire dépasser le niveau du plateau, puis ils la déplacent. Grâce à sa bonne adhérence sur surface de cuivre, la molécule suit docilement.

Une tâche très complexe

Evidemment, même si aujourd'hui le processus est devenu facile à mettre en oeuvre, parvenir à ce stade fut loin d'être simple. Pour déterminer la distance optimale d'approche ou le meilleur voltage à appliquer, l'ensemble de la "manutention moléculaire" a été simulée numériquement grâce à un modèle inspiré de la chimie quantique. Tâche hautement complexe, dont s'est chargée une équipe toulousaine du CNRS. Son directeur, Christian Joachim, parcourt le monde à la recherche de temps de calcul sur Cray ou gros systèmes. Une première étape est franchie. Mais, avant de parvenir aux applications concrètes, les chercheurs ont encore beaucoup à apprendre: comment mouvoir d'autres molécules sur d'autres surfaces, déclencher des microréactions chimiques pour les y attacher, etc. François Savatier

USINE NOUVELLE N°2544

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