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Des nanoconducteurs en plastique… qui se construisent tout seuls

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Ces fils minuscules conduisent l'électricité presqu'aussi bien que s'ils étaient en cuivre et s'assemblent d'eux-mêmes là où on le souhaite, bien plus facilement que des nanotubes de carbone. Une éclatante victoire de l'approche « bottom-up » en nanotechnologie. Même leurs découvreurs, du CNRS et de l'université de Strasbourg, se disent étonnés. « On a eu de la chance », confie l'un d'eux à Futura-Sciences.

Vue d'artiste des nanofibres entre les deux électrodes, visibles ici en couleur violette (aspect reproduisant celui d'une image réalisée à l'aide d'un microscope à force atomique). L'une des nanofibres est figurée par un dessin, semblant s'échapper du faisceau. On remarque ainsi que chaque fibre se compose de plusieurs fibrilles. Les petits éclairs à l'extrémité indiquent que le courant électrique y circule très bien. © Réalisation graphique M. Maaloum, ICS (CNRS)

Pour réaliser des structures électroniques de plus en plus petites, il faut miniaturiser les outils et la matière première. Mais à l'échelle des nanomètres, les difficultés deviennent difficiles à surmonter. Voilà pourquoi beaucoup de laboratoires de nanotechnologie s'ingénient à faire le contraire : assembler des molécules pour fabriquer des structures juste un peu plus grandes. C'est l'approche « bottom-up » (« du bas vers le haut »). En 2009, des chimistes de l'institut Charles Sadron (CNRS) ont exploré cette voie en tentant l'assemblage de molécules de triarylamines.

« Ce composé est connu depuis les années 1960, explique Nicolas Giuseppone, responsable de l'équipe. Il est utilisé pour la photocopie. La molécule a la propriété de réagir à la lumière en émettant un électron. Au départ, il s'agissait pour nous d'étudier des opportunités en optoélectronique. Nous sommes partis avec l'idée de modifier cette triarylamine pour que les molécules s'empilent les unes sur les autres, de manière à conduire les électrons à grande distance. Avec une modification plus simple que prévu, elles se sont autoassemblées plus vite et mieux que prévu ! »

Cet empilement, qui se déclenche simplement à la lumière, est une forme très particulière de polymérisation, dite supramoléculaire, car les molécules ne s'accrochent pas entre elles par des liaisons covalentes (les liaisons chimiques classiques entre les atomes d'une molécules), mais par des liaisons faibles : « stacking entre noyaux aromatiques, liaisons hydrogène et liaisons de van der Waals », précise le chercheur. « Mais toutes ces petites forces font une liaison solide ! »


Light-triggered self-construction of supramolecular organic nanowires as metallic interconnects dit le titre de cette vidéo, qui est aussi celui de l'article scientifique. Il s'agit donc d'un autoassemblage déclenché par la lumière d'une nanofibre supramoléculaire organique de manière à en faire une interconnexion de type métallique. Les images (de synthèse bien sûr) montrent les molécules de triarylamines (les chimistes auront reconnu les trois noyaux aromatiques hexagonaux) modifiées par les chimistes et qui, ensuite s'assemblent en fibrilles puis en fibres. Entre deux électrodes d'or et de nickel (Au et Ni), sur un substrat d'oxyde de silicium (SiO2), le champ électrique dirige l'assemblage, conduisant à créer des fils, sans autre intervention. Les mesures indiquent que conductivité et résistance sont proches des performances du cuivre. © Nicolas Giuseppone, Gad Fuks et Mathieu Le Jeune

« De l'autoassemblage là où l'on veut ! »

À la lumière, ces nanofibres se construisent donc d'elles-mêmes, sans aucune intervention extérieure. Constitués de quelques milliers de molécules, les filaments supramoléculaires s'agrègent ensemble pour former une nanofibre plus épaisse, comme le montrent les images réalisées à l'aide d'un microscope à force atomique. Ces nanofibres mesurent entre 20 et 50 nanomètres (nm) de diamètre pour, au maximum, un micron de longueur. La première bonne surprise était la simplicité de la modification apportée aux molécules et la facilité de l'assemblage. Restait à vérifier les propriétés électriques. « Nous avons collaboré avec l'équipe de Bernard Doudin, à l'Institut de physique et chimie des matériaux de Strasbourg. Nous sommes des chimistes. Il fallait des physiciens pour réaliser la puce portant les électrodes, en salle blanche et avec des moyens sophistiqués. »

C'est alors que vint la deuxième bonne surprise : les molécules, sous l'effet du champ électrique créé entre les deux électrodes, séparées de 80 nm, s'assemblent bien en fibres et, surtout, ont le bon goût de le faire en accrochant chacune de leurs extrémités à l'une des électrodes. « Avec des nanotubes de carbone, vous êtes obligés d'en saupoudrer un grand nombre en espérant que quelques-uns s'installeront par hasard en bonne position. Mais ici, les nanofibres se forment exactement là où l'on veut et seulement là ! C'est non seulement de l'autoassemblage mais aussi de l'autoassemblage au bon endroit... »

Les chimistes ont compris la raison de cette docilité : sous l'effet de la lumière, la chaîne supramoléculaire est chargée, avec un pôle plus et un pôle moins, qui vont s'accrocher chacun à une électrode, selon leur polarité.

Image obtenue à l'aide d'un microscope à force atomique. Chaque petite sphère jaune est un ensemble de deux molécules. On voit que ces molécules s'organisent en fibrilles accolées les unes aux autres. La hauteur de l'image mesure 50 nm. © M. Maaloum, ICS (CNRS)

S'inspirer du vivant

Ces nanofibres organiques feraient-elles de bons conducteurs ? Une troisième bonne surprise était au rendez-vous... La conductivité mesurée entre les deux électrodes par l'équipe de Bernard Doudin figure parmi les meilleures pour un composant organique (ou plastique). « De plus, nous avons montré que la résistance de l'interface entre l'extrémité de la fibre et l'électrode est très faible. » Cet ensemble de résultats vient d'être rendu public dans la revue Nature Chemistry.

À quoi pourront servir ces conducteurs autoassemblés ? On peut imaginer facilement de nombreuses applications en électronique pour réaliser des circuits toujours plus miniaturisés. Pour l'instant, le travail en est à la recherche fondamentale. Les chercheurs s'emploient déjà à étudier comment faciliter l'intégration d'un tel procédé dans les méthodes de l'industrie électronique. « Il y a une rupture technologique » note Nicolas Giuseppone. Protégée par des brevets, l'innovation est désormais prise en main par FIST (France innovation scientifique et transfert), qui identifie les besoins du marché.

Au laboratoire, il reste beaucoup à faire. « Nous cherchons à améliorer le procédé, mais aussi à mieux comprendre les phénomènes en jeu, pour aller plus loin dans l'autoassemblage. Nous nous inspirons du vivant. Après tout, nous sommes nous-mêmes des structures autoassemblées... Ce que nous voulons, c'est obtenir des assemblages là où on en a besoin et quand on en a besoin. »

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