L'aspirateur à atomes

Des chercheurs du CNRS ont découvert un nouveau moyen de construire des structures à l'échelle atomique. Au lieu de le faire atome par atome en utilisant la pointe d'un microscope à effet tunnel, il ont utilisé une molécule-assembleur, capable d'« aspirer », de transporter et de relarguer des atomes sur une surface.

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<br />Image par microscopie à effet tunnel de la molécule à six « pattes » sur une surface de cuivre. <br />© Frei Universitat, Berlin..

Image par microscopie à effet tunnel de la molécule à six « pattes » sur une surface de cuivre.
© Frei Universitat, Berlin..

Fabriquer des nanostructures, des nanodispositifs ou des nanomachinesnanomachines, réaliser des connections électriques à l'échelle atomique pour échanger des données avec une seule moléculemolécule... Ces tâches nécessitent un outil pour manipuler les atomes un par un sur une surface. Depuis le début des années 1990, le microscope à effet tunnelmicroscope à effet tunnel (STM) est le seul instrument de laboratoire qui permette de réaliser ce genre de manipulation. Mais la constructionconstruction d'un nanodispositif atomeatome par atome avec la pointe du STM est très lente, ce qui limite à moins d'une centaine le nombre d'atomes manipulables en un temps raisonnable.

<br />Structure et dimensions (1 Angström = 0,1 nanomètre = 10-10 mètres) de la molécule à six « pattes ». Le centre de la molécule est composé d'un groupement phényle (cycle à six atomes de carbone). Chaque patte est composée d'un phényle et d'un méthyle (4 atomes de carbone). <br />© Nature Materials, Vol. 4, N°12, Dec.2005.

Structure et dimensions (1 Angström = 0,1 nanomètre = 10-10 mètres) de la molécule à six « pattes ». Le centre de la molécule est composé d'un groupement phényle (cycle à six atomes de carbone). Chaque patte est composée d'un phényle et d'un méthyle (4 atomes de carbone).
© Nature Materials, Vol. 4, N°12, Dec.2005.

Pour éviter cet écueil, les chercheurs en nanosciences ont pensé à un autre moyen de réaliser des constructions d'atomes : ils ont conçu une molécule capable de collecter et d'assembler les atomes un par un. La première étape dans cette voie vient d'être franchie par les chercheurs du Centre d'élaboration des matériaux et études structurales (CNRS Toulouse) et de l'Institut de PhysiquePhysique expérimentale (Freie Universität, Berlin). Ils ont conçu, synthétisé et fait « travailler » une molécule capable de collecter des atomes métalliques un par un à la surface d'un métalmétal. Il s'agit d'une molécule à six « pattes » (voir les figures). Lorsque l'on pousse la molécule avec la pointe du STM, quatre de ces pattes forment une cage dans laquelle les atomes s'engouffrent, « aspirés » par le groupement phényle (cycle à six atomes de carbonecarbone) au centre de la molécule. Une fois le plein d'atomes effectué (la molécule peut en transporter jusqu'à cinq), on la déplace avec sa cargaison grâce à la pointe du STM jusqu'à destination. Là, la molécule est enlevée et la cargaison d'atomes libérée sur la surface avec une précision de positionnement inférieure à 0,1 nanomètrenanomètre. Ces différentes phases sont contrôlées en adaptant les paramètres du courant tunnel (tension, intensité...).

<br />Quatre atomes de cuivre sont absorbés un à un par la molécule à six pattes (de a à e). La molécule avec sa cargaison de 5 atomes de cuivre (f). Le cluster d'atomes de cuivre après retrait de la molécule. © Nature Materials, Vol. 4, N°12, Dec.2005.<br />© Nature Materials, Vol. 4, N°12, Dec.2005. .

Quatre atomes de cuivre sont absorbés un à un par la molécule à six pattes (de a à e). La molécule avec sa cargaison de 5 atomes de cuivre (f). Le cluster d'atomes de cuivre après retrait de la molécule. © Nature Materials, Vol. 4, N°12, Dec.2005.
© Nature Materials, Vol. 4, N°12, Dec.2005. .

Cette famille de molécules-assembleurs devrait faciliter la fabrication de fils métallique de section atomique à la surface d'un isolant. Elle permettra par exemple de comprendre les phénomènes de transport électronique à l'échelle atomique en utilisant des nanodispositifs dont la structure est parfaitement déterminée. Ces molécules pourront aussi être utilisée dans le nettoyage des surfaces.

Références :
Trapping and moving metal atoms with a six-leg molecule, Leo Gross, Karl-Heinz Rieder, Francesca Moresco, Sladjana M. Stojkovic, andré Gourdon, Christian Joachim, Nature Materials, Vol. 4, N°12, Dec.2005)