Nano-cars Race

Nanocars Race

La course

4 questions à Christian Joachim, directeur de recherche au CNRS et organisateur de la NanoCar Race

Comment avez-vous eu l’idée d’une course de molécules-voitures ?

En 2012, je devais écrire un article d’accompagnement pour deux papiers scientifiques publiés dans la revue américaine ACS Nano concernant l’un, une molécule-moteur et l’autre, une voiture moléculaire. J’ai cherché à rendre ce texte plus « attractif »… Et c’est là que l’idée d’organiser une course de NanoCars m’est venue! Avec le feu vert de Paul Weiss, éditeur de la revue, l’idée émergeait dans la littérature scientifique. En parallèle, avec Gwénaël Rapenne nous publions un article dans Nature Nano sur une nouvelle molécule-moteur. J’ai alors été interviewé par un journaliste du Monde et il choisit la course de molécule-voitures comme angle de son papier : face à l’engouement autour de l’idée, nous avons choisi d’organiser cette course pour de vrai. Toujours au même moment, au CEMES, nous finalisions la conception du premier microscope à effet tunnel à quatre pointes. Et trois ans après, la NanoCar Race est en préparation active pour octobre 2016.

Quels ont été les principaux soucis rencontrés lors de l’organisation de la course ?

D’abord, nous avons dû modifier notre microscope à effet tunnel à quatre pointes pour que quatre pilotes puissent conduire leur molécule-véhicule en même temps, en parallèle et sur la même surface. Sans cela pas de course ! Réussir à déposer quatre NanoCars simultanément au même endroit est un grand défi que nous sommes en train de relever. Pour cela, l’évaporateur qui permet cette opération a nécessité trois mois de construction par une entreprise allemande spécialisée. Différentes contraintes techniques nous ont contraints à inventer un système de masques pour diviser la piste en quatre parties et réserver une zone pour chaque concurrent. Enfin, comme tout cela se passe dans l’ultravide, nous avons créé un mini ascenseur avec un carrousel de sortie pour orienter ces masques!

Selon vous, quel est le plus grand défi de cette course ?

En premier lieu sa préparation. Il nous faut évaporer sur la même surface d’or au moins quatre molécules-voitures différentes avec des températures d’évaporation allant de 50°C à 300 °C, tout en conservant la propreté de cette surface et la séparation des équipes. Ensuite, la règle principale de la course est de conduire sa NanoCar sans la toucher mécaniquement. Depuis le milieu des années 1990, on sait manipuler une molécule à volonté en la « poussant » par interactions répulsives avec l’apex de la pointe du microscope. Aujourd’hui, l’objectif est d’apprendre à maîtriser les phénomènes inélastiques intramoléculaire pour fournir de l’énergie à une seule NanoCar et ainsi la faire avancer et tout ça sans la toucher mécaniquement! Lors des premiers essais de l’équipe allemande, il a fallu plusieurs heures au pilote pour apprendre à contrôler ces effets tout en prenant en comptela position exacte des atomes d’or sur la surface, notamment pour négocier un virage à 45°. D’autre part, certaines équipes comme les austro-américains ou les Japonais ont même un moteur au sens classique du terme ! Le courant tunnel doit faire bouger un ou plusieurs petits groupements chimiques spécialement conçus pour prendre appuis sur la surface d’or et ainsi faire avancer la molécule-voiture par pas de 0,3 nanomètres, en augmentant ce courant tunnel par de brèves impulsions de tension.

Que peut-il arriver à la molécule-voiture pendant la course ?

Une course de voitures n’est jamais sans risque. Les NanoCars sous forme de poudre sont chauffées jusqu’à 300°C pour être évaporées sur la piste d’or. L’impact de ces molécules très chaudes sur la surface d’or pourrait bien les faire se décomposer, ou même se re-synthétiser en d’autres molécules différentes. Pour l’équipe allemande, c’est le problème inverse. Ils devront réassembler leurs molécules directement sur la piste. Par conséquent, si celle-ci est trop chaude, instable, l’opération risque d’échouer. D’autre part, le courant électrique traversant la molécule et généré par de petites impulsions électriques d’environ 2 volts ne permettent de la faire avancer que de 0,3 nanomètres en moyenne . Or, le parcours est de 100 nanomètres ! Il faudra donc générer plusieurs centaines de ces impulsions pour terminer la course. Les liaisons chimiques de la molécule risquent finalement de se briser… Enfin, certains atomes, des atomes d’or attrapés par la pointe lors des approches successives de la pointe vers la surface pour obtenir un courant tunnel pourraient descendre le long de la pointe du microscope à effet tunnel qui applique ces impulsions. La modification des lignes de champ électrostatique qui en résulterait attirerait alors les molécules sur la pointe et les ferait disparaître du champ image des scientifiques. Quelle sortie de route !