{"id":120789,"date":"2013-06-07T16:08:58","date_gmt":"2013-06-07T19:08:58","guid":{"rendered":"http:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/?p=120789"},"modified":"2013-06-12T15:26:36","modified_gmt":"2013-06-12T18:26:36","slug":"la-danse-des-metaux","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/la-danse-des-metaux\/","title":{"rendered":"La danse des m\u00e9taux"},"content":{"rendered":"

Publi\u00e9 en janvier 2007<\/em><\/p>\n

\"Science

FERNANDO SATO<\/span>Science et art: des simulations montrent comment se forment et se brisent les liaisons entre atomesFERNANDO SATO<\/span><\/p><\/div>\n

\u00c9tir\u00e9e \u00e0 ses extr\u00e9mit\u00e9s, une tr\u00e8s fine lame d\u2019or et d\u2019argent s\u2019\u00e9tend et devient plus mince au milieu, jusqu\u2019\u00e0 atteindre son r\u00e9tr\u00e9cissement maximum et se briser. Observ\u00e9e avec un microscope \u00e9lectronique, cette image en mouvement \u2013 qui fait penser au fromage fondu qui s\u2019\u00e9tire entre les dents et le croque monsieur \u2013 n\u2019est en rien ordinaire. Elle montre ce qui se produit avec la lame au niveau des atomes, les unit\u00e9s qui composent la mati\u00e8re.Au fur et \u00e0 mesure que la lame s\u2019\u00e9tend, les liens entre les atomes se brisent et d\u2019autres se forment dans une danse sinueuse, jusqu\u2019\u00e0 ce qu\u2019il ne reste qu\u2019un fil de l\u2019\u00e9paisseur d\u2019un seul atome. Cet alignement d\u2019atomes fait penser \u00e0 un collier de perles \u2013 un collier \u00e9ph\u00e9m\u00e8re et minuscule, form\u00e9 de trois atomes et qui ne dure que trois secondes.<\/p>\n

Physicien exp\u00e9rimental de l\u2019Universit\u00e9 d\u2019\u00c9tat de Campinas (Unicamp) et du Laboratoire National de Lumi\u00e8re Synchrotron (LNLS) de Campinas, Daniel Ugarte est l\u2019une des rares personnes \u00e0 avoir eu le privil\u00e8ge d\u2019observer un ph\u00e9nom\u00e8ne aussi exceptionnel et rapide. Sa collaboration avec le groupe de physiciens th\u00e9oriques dirig\u00e9 par Douglas Galv\u00e3o \u2013 \u00e9galement de l\u2019Unicamp \u2013 est \u00e0 l\u2019origine de grandes avanc\u00e9es dans l\u2019\u00e9tude du comportement des m\u00e9taux \u00e0 l\u2019\u00e9chelle nanom\u00e9trique, au millioni\u00e8me de millim\u00e8tre. Ce n\u2019est qu\u2019apr\u00e8s avoir saisi le fonctionnement des mat\u00e9riaux \u00e0 cette \u00e9chelle qu\u2019il sera possible de les utiliser \u00e0 des fins technologiques.<\/p>\n

Ugarte et Galv\u00e3o savaient d\u00e9j\u00e0 que l\u2019or et l\u2019argent \u00e0 l\u2019\u00e9tat pur se comportaient de mani\u00e8re distincte juste avant de se rompre.Tous deux peuvent former un fil de l\u2019\u00e9paisseur d\u2019un atome \u2013 ou des cha\u00eenes atomiques suspendues \u2013 lorsqu\u2019ils sont \u00e9tir\u00e9s dans des directions diff\u00e9rentes et sp\u00e9cifiques pour chaque m\u00e9tal. Derni\u00e8rement, Galv\u00e3o et l\u2019\u00e9tudiant de doctorat Fernando Sato ont, avec Pablo Coura et S\u00f3crates Dantas de l\u2019Universit\u00e9 F\u00e9d\u00e9rale de Juiz de Fora, explor\u00e9 de nouvelles fronti\u00e8res en simulant sur ordinateur le comportement d\u2019alliages d\u2019or et d\u2019argent \u2013 avec des proportions diff\u00e9rentes pour chacun des m\u00e9taux. En observant les r\u00e9sultats, Ugarte a remarqu\u00e9 quelque chose de curieux: dans plusieurs cas, l\u2019alliage se comportait comme l\u2019or pur.L\u2019\u00e9quipe de th\u00e9oriciens d\u00e9cida alors d\u2019analyser \u00e0 nouveau les animations et constata que les atomes d\u2019or migraient vers la r\u00e9gion de plus en plus fine du m\u00e9tal \u00e9tir\u00e9 au lieu d\u2019\u00eatre \u00e9parpill\u00e9es de mani\u00e8re homog\u00e8ne sur la feuille m\u00e9tallique. En cons\u00e9quence, la cha\u00eene atomique suspendue ne contient quasiment que de l\u2019or pur. D\u2019apr\u00e8s Ugarte,\u201cce n\u2019est que lorsqu\u2019il constitue au moins 80 % de l\u2019alliage que l\u2019argent commence \u00e0 exprimer ses propri\u00e9t\u00e9s\u201d. Le physicien et ses coll\u00e8gues ont relat\u00e9 ces r\u00e9sultats inattendus dans le num\u00e9ro de d\u00e9cembre de la revue scientifique Nature Nanotechnology.<\/p>\n

Th\u00e9orie et pratique<\/strong>
\nLa collaboration entre Ugarte et Galv\u00e3o a d\u00e9but\u00e9 en 2001, donnant lieu \u00e0 une rare conjugaison d\u2019esprits th\u00e9oriques et exp\u00e9rimentaux. Elle a \u00e9galement permis d\u2019associer des outils pour une investigation compl\u00e8te, tels que les simulateurs informatiques, la microscopie, la cristallographie et la mesure du transport du courant \u00e9lectrique. Chacune de ces techniques peut analyser un aspect diff\u00e9rent de ces structures infinit\u00e9simales: le microscope montre les atomes en mouvement, mais il ne distingue pas clairement ceux de l\u2019or et ceux de l\u2019argent ; la cristallographie d\u00e9crit la configuration spatiale des atomes, mais elle ne donne pas d\u2019informations sur les propri\u00e9t\u00e9s du transport \u00e9lectrique du mat\u00e9riau. Ainsi, c\u2019est la concordance entre les r\u00e9sultats obtenus par les domaines et les instruments diff\u00e9rents qui donne du poids aux d\u00e9couvertes et d\u00e9voile ce qu\u2019un regard isol\u00e9 ne parviendrait pas \u00e0 distinguer.<\/p>\n

Vu que les alliages m\u00e9talliques ne se comportent pas comme des m\u00e9taux purs, l\u2019\u00e9tude des amalgames apporte des nouveaut\u00e9s qui, dans le futur, transformeront l\u2019\u00e9lectronique \u00e0 l\u2019\u00e9chelle mol\u00e9culaire en r\u00e9alit\u00e9. Le d\u00e9fi majeur de la production d\u2019alliages est pos\u00e9 par les propri\u00e9t\u00e9s atomiques des mat\u00e9riaux. Si elles sont trop diff\u00e9rentes, elles emp\u00eachent un embo\u00eetement harmonieux entre les atomes. Selon Sato, la bonne relation entre des m\u00e9taux d\u00e9pend de la distance entre deux atomes dans le m\u00e9tal pur, sp\u00e9cifique pour chaque \u00e9l\u00e9ment. Comme les atomes de l\u2019or et ceux de l\u2019argent s\u2019organisent selon des distances similaires, l\u2019alliage qui unit ces deux m\u00e9taux est stable et plus facile \u00e0 cr\u00e9er ; et dans certaines proportions \u2013 comme trois atomes d\u2019or pour un d\u2019argent \u2013, il peut m\u00eame exister spontan\u00e9ment dans la nature.<\/p>\n

Dans leurs travaux de simulations, Galv\u00e3o et Sato ont fait une autre observation inattendue au niveau de la structure. Si l\u2019alliage contient moins de 10 % d\u2019or, les atomes d\u2019argent s\u2019organisent en pentagones autour de ceux en or, formant un fil d\u2019or recouvert d\u2019argent qui fonctionnerait comme un fil \u00e9lectronique ordinaire, \u00e0 une \u00e9chelle plusieurs millions de fois inf\u00e9rieure.Meilleur conducteur d\u2019\u00e9lectricit\u00e9 que le cuivre des fils ordinaires, l\u2019or est utilis\u00e9 sur des fils lorsqu\u2019un transport \u00e9lectrique de haute qualit\u00e9 est requis. Dans la mesure o\u00f9 il est plus r\u00e9sistant pour le transport d\u2019\u00e9lectrons, l\u2019argent fonctionnerait comme un isolant dans la structure d\u00e9couverte par les physiciens th\u00e9oriciens. Pour l\u2019instant, cette structure n\u2019est que th\u00e9orique ; elle a \u00e9t\u00e9 per\u00e7ue \u00e0 travers les simulations sur ordinateur mais pas encore dans la r\u00e9alit\u00e9, toutefois Galv\u00e3o se montre optimiste: \u201cVu que jusqu\u2019\u00e0 pr\u00e9sent les r\u00e9sultats exp\u00e9rimentaux confirment les suppositions th\u00e9oriques, les chances d\u2019avoir une structure en pentagones dans la r\u00e9alit\u00e9 sont de 95 %\u201d. Si la d\u00e9couverte est confirm\u00e9e, elle constituera une avanc\u00e9e importante pour l\u2019\u00e9lectronique mol\u00e9culaire.<\/p>\n

Des exp\u00e9rimentations sur le comportement des composants atomiques d\u2019alliages m\u00e9talliques avaient d\u00e9j\u00e0 \u00e9t\u00e9 r\u00e9alis\u00e9es auparavant, mais Jefferson Bettini du LNLS est l\u2019un des premiers \u00e0 l\u2019avoir observ\u00e9 au microscope en temps r\u00e9el.D\u2019autre part, les exp\u00e9rimentations ont \u00e9t\u00e9 faites \u00e0 temp\u00e9rature ambiante, une condition rendue possible au cours des dix derni\u00e8res ann\u00e9es gr\u00e2ce \u00e0 l\u2019appareil con\u00e7u par l\u2019\u00e9tudiant de 3e cycle Varlei Rodrigues. Par ultra-haut vide, l\u2019appareil cr\u00e9e des conditions ultrapropres dans l\u2019environnement o\u00f9 se produisent les ruptures sur les plaques tr\u00e8s fines de m\u00e9tal. Le vide est important car l\u2019environnement doit \u00eatre parfaitement propre, vu que n\u2019importe quel atome intrus peut alt\u00e9rer la composition du mat\u00e9riau \u00e9tudi\u00e9. En g\u00e9n\u00e9ral, ce degr\u00e9 de propret\u00e9 est atteint quand sont r\u00e9alis\u00e9es des exp\u00e9rimentations \u00e0 des temp\u00e9ratures de moins 260 et moins 270\u00ba C \u2013 et qui, selon Ugarte, ne donnent pas de r\u00e9sultats satisfaisants parce que la temp\u00e9rature affecte \u00e9galement les propri\u00e9t\u00e9s du m\u00e9tal.\u201c\u00c0 des temp\u00e9ratures si basses, les mat\u00e9riaux paraissent tous \u00e9gaux\u201d, ajoute Ugarte.Les vid\u00e9os qui enregistrent la rupture du m\u00e9tal \u00e0 temp\u00e9rature ambiante et dans du nitrog\u00e8ne liquide montrent que le m\u00e9tal froid ne refait pas ses liaisons de fa\u00e7on aussi dynamique qu\u2019\u00e0 temp\u00e9rature ambiante. Dans ces conditions, le processus est plus lent, moins fluide et moins repr\u00e9sentatif du quotidien.Ugarte souligne:\u201c Si un t\u00e9l\u00e9phone portable est compos\u00e9 de nanofils, il devra fonctionner \u00e0 temp\u00e9rature ambiante\u201d.<\/p>\n

Le cas des nanofils m\u00e9talliques montre bien que la nanoscience est encore en phase d\u2019exploration. De fait, la migration des atomes d\u2019or pur vers le point de rupture et les structures en pentagones qui prot\u00e8gent le fil d\u2019or sont des r\u00e9actions tout \u00e0 fait inattendues. De plus, Ugarte observe qu\u2019\u201c\u00e0 l\u2019\u00e9chelle atomique les objets sont collants\u201d. Un nanofil est tr\u00e8s difficile \u00e0 manipuler parce qu\u2019il est spontan\u00e9ment attir\u00e9 par le substrat sur lequel il s\u2019appuie, telle une force de gravit\u00e9 exacerb\u00e9e.Mais la doctorante Denise Nakabayashi a d\u00e9velopp\u00e9 un appareil qui permet de manipuler des fils d\u20191 micron (un milli\u00e8me de millim\u00e8tre).<\/p>\n

La plus grande partie des applications de la nanotechnologie reste \u00e0 venir. D\u2019apr\u00e8s Galv\u00e3o, 80 % de ce qui est fait dans ce domaine en est au stade de la compr\u00e9hension du fonctionnement des m\u00e9taux \u00e0 l\u2019\u00e9chelle nanom\u00e9trique, et pas encore \u00e0 celui des applications pratiques. Il estime que dix \u00e0 quinze ann\u00e9es sont n\u00e9cessaires pour que la nanotechnologie fasse partie du quotidien.Et m\u00eame si les cha\u00eenes atomiques suspendues ne durent normalement que quelques secondes, il pr\u00e9sume que construire des nanofils stables ne sera pas un probl\u00e8me: il suffit pour cela d\u2019utiliser un autre mat\u00e9riau comme support. La difficult\u00e9 est de construire des fils \u00e0 la composition connue, de mani\u00e8re efficace et contr\u00f4l\u00e9e. Une des possibilit\u00e9s est d\u2019utiliser des mol\u00e9cules synth\u00e9tiques telles que la Lander, construite en 2002 par des chercheurs danois et fran\u00e7ais et qui s\u2019appelle ainsi de par sa ressemblance \u00e0 un module d\u2019exploration lunaire.<\/p>\n

\"Mol\u00e9cules

FERNANDO SATO<\/span>Mol\u00e9cules dans le d\u00e9tail:
l\u2019ordinateur montre ce qui
\u00e9chappe au microscopeFERNANDO SATO<\/span><\/p><\/div>\n

Elle est compos\u00e9e d\u2019atomes de carbone d\u2019hydrog\u00e8ne \u2013 un axe long avec des projections lat\u00e9rales qui fonctionnent comme des pattes. Dans un article publi\u00e9 en 2004 dans la revue Nature Materials, Galv\u00e3o et Sato ont expliqu\u00e9 par l\u2019interm\u00e9diaire de simulations comment la mol\u00e9cule Lander se d\u00e9place entre des atomes d\u00e9tach\u00e9s et laisse derri\u00e8re elle de petits fragments de nanofils de cuivre. Pour construire d\u2019autres nanomat\u00e9riaux, des mol\u00e9cules sur mesure peuvent \u00eatre d\u2019une grande utilit\u00e9. Toutefois, Galv\u00e3o souligne qu\u2019une grande partie de ce type de d\u00e9couverte est due au hasard: \u201cLa chance favorise, mais le regard doit \u00eatre pr\u00eat \u00e0 voir\u201d.<\/p>\n

Lorsque, et si, les obstacles techniques et en mati\u00e8re de connaissance seront franchis, les nanocircuits pourront changer consid\u00e9rablement l\u2019\u00e9lectronique. Non seulement gr\u00e2ce \u00e0 leur taille, qui permettra de fabriquer des appareils plus petits, mais aussi gr\u00e2ce \u00e0 leurs propri\u00e9t\u00e9s. \u00c0 l\u2019\u00e9chelle nanom\u00e9trique, la conduction de l\u2019\u00e9lectricit\u00e9 ne suit pas les m\u00eames r\u00e8gles du monde microscopique. L\u2019\u00e9nergie qui traverse les nanofils vient par intermittence, elle n\u2019est pas continue comme dans les prises \u00e9lectriques d\u2019une maison. Cependant la transmission est efficace, m\u00eame si elle n\u2019est pas constante; et selon Galv\u00e3o elle ne dissipe pas d\u2019\u00e9nergie, ce qui signifierait que les circuits \u00e9lectriques ne produisent pas de chaleur.<\/p>\n

Bien que l\u2019on sache encore assez peu de choses sur le comportement atomique des mat\u00e9riaux, la connaissance jusque- l\u00e0 acquise, alli\u00e9e \u00e0 l\u2019imagination humaine, ont d\u00e9j\u00e0 permis de cr\u00e9er une grande quantit\u00e9 de produits qui font la joie des f\u00e9rus de technologie. Le site Internet du Projet sur les Nanotechnologies \u00c9mergentes (www.nanotechproject. org) fournit une liste de plus de 300 de ces produits, qui vont des nanotubes de carbone pour des \u00e9crans plats d\u2019ordinateurs jusqu\u2019aux nanoparticules d\u2019argent qui combattent les bact\u00e9ries et la moisissure sur les emballages alimentaires.<\/p>\n

La haute technologie n\u00e9cessaire pour \u00e9tudier des atomes est ch\u00e8re, raison pour laquelle les projets d\u2019Ugarte ont des budgets astronomiques \u2013 un microscope \u00e9lectronique peut co\u00fbter entre 3 et 7 millions de r\u00e9aux. Ces travaux exigent des installations sp\u00e9ciales qui ont n\u00e9cessit\u00e9 la construction d\u2019un nouveau b\u00e2timent \u2013 dont la construction est coordonn\u00e9e par le physicien du LNLS.Mais Ugarte estime que ce sont les ressources humaines qui limitent la progression de la nanoscience exp\u00e9rimentale, et non les ressources financi\u00e8res. Il est fr\u00e9quent que les ann\u00e9es du 3e cycle soient utilis\u00e9es par les \u00e9tudiants pour construire ou apprendre \u00e0 utiliser un \u00e9quipement, qui sera finalement mis en application lors du doctorat, \u00e0 l\u2019exemple de Varlei Rodrigues et de Denise Nakabayashi.<\/p>\n

\u201cOn n\u2019arrive pas \u00e0 trouver des personnes qui aiment bricoler ; il est n\u00e9cessaire de comprendre, penser, \u00eatre patient, se tromper dans les mesures. Les \u00e9tudiants sont habitu\u00e9s \u00e0 trouver des r\u00e9ponses imm\u00e9diates sur Internet\u201d, observe Ugarte, qui tente de changer cette habitude. Ce qu\u2019il inculque \u00e0 ses \u00e9tudiants, il l\u2019applique aussi \u00e0 la maison avec ses enfants.Pedro, 6 ans et Maia, 4 ans, font des p\u00e2tes maison, d\u00e9valent des pentes sur une carriole \u00e0 roulements fabriqu\u00e9e artisanalement et ont d\u00e9j\u00e0 construit un t\u00e9lescope avec leur p\u00e8re.<\/p>\n

LES PROJETS<\/strong> \u00c9tude th\u00e9orique multi-\u00e9chelle de nanostructures pures et hybrides MODALIT\u00c9<\/strong> Projet Th\u00e9matique COORDONNATRICE<\/strong> MAR\u00cdLIA J. CALDAS \u2013 USP INVESTISSEMENT<\/strong> 85 268,00 dollars US et 181 110,54 r\u00e9aux (FAPESP) Microscope \u00e9lectronique de transmission analytique pour la nanocaract\u00e9risation spectroscopique de mat\u00e9riaux MODALIT\u00c9<\/strong> Ligne R\u00e9guli\u00e8re d\u2019Aide \u00e0 la Recherche COORDONNATEUR<\/strong> DANIEL UGARTE \u2013 LNLS INVESTISSEMENT<\/strong> 2 500 000,00 dollars US (FAPESP)<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"La danse des m\u00e9taux","protected":false},"author":3,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[1180],"tags":[],"coauthors":[95],"class_list":["post-120789","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-sciences"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/120789","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/users\/3"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=120789"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/120789\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=120789"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=120789"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=120789"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/fr\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=120789"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}