La première course au monde de molécules-voitures – la «nanocar race» – se déroulera à partir du 28 avril au Cemes à Toulouse, et sera retransmise en direct sur Youtube. Six équipes internationales entament leurs derniers essais cette semaine. Rencontre avec Christian Joachim, directeur de recherche au CNRS et organisateur de cet événement inédit.

À partir du 28 Avril, le monde entier pourra suivre en direct du Cemes , et ce pendant 36 heures, la première course de nanocars ou molécules-voitures jamais organisée. Qu’est-ce qu’une molécule-voiture ?

Christian Joachim : Il s’agit d’une molécule équipée d’un châssis, de roues, et éventuellement d’un type de « moteur » visible. On l’appelle nanocar parce que sa taille –entre les roues ou la longueur du châssis – se situe entre 1 et 3 nanomètres. Elle est environ un milliard de fois plus petite qu’une voiture de Formule 1.



Et comment fabrique-t-on un tel engin ?

C. J. : Il faut commencer par le concevoir, puis dessiner sa structure chimique atome par atome, une étape conduite par des chimistes théoriciens, en collaboration directe avec des chimistes de synthèse et des physiciens des surfaces. Il faut définir où se placent les roues, les axes des roues, le châssis... Tout ce travail se construit dans un mouvement de va-et-vient entre celui qui dessine la molécule, celui qui la synthétise et celui ou celle qui va calculer ou simuler par ordinateur la « mécanique » de cette molécule une fois déposée sur une surface. Ensuite, c’est au tour des chimistes de synthèse de se mettre au travail.

Mais pour participer à une telle course, il faut engager ces molécules sur une piste…

C. J. : En effet, et nous avons plusieurs façons de le faire. Presque toutes les molécules-voitures sont synthétisées dans leur forme entière puis déposées sur la surface de la piste.





Les quatre finalistes concourront sur une même surface : un médaillon d’or de 8 millimètres de diamètre, le tout sous ultravide et dans l’ultrafroid. Cependant, une des voitures engagées dans cette course utilise une autre méthode très prometteuse : au lieu de synthétiser la molécule entière en solution et de la déposer sur la surface, l’équipe arrive à synthétiser uniquement des parties choisies de la molécule-voiture en solution, puis à déposer le tout sur la surface de support et à réaliser la synthèse directement sur la piste, lorsque cette dernière est chauffée. Tous les concurrents vont placer des centaines de molécules-voitures identiques aux abords de leur piste pour pouvoir changer de voiture par exemple à la suite d’un accident.

Donc chaque équipe possède sa propre piste ?

C. J. : Oui, les quatre finalistes que nous allons sélectionner cette semaine concourront sur une même surface : un médaillon d’or de 8 millimètres de diamètre, le tout sous ultravide (10-10 millibars) et dans l’ultrafroid (environ 4 kelvins). La surface d’or présente plusieurs avantages, dont une grande stabilité. Elle comporte également des plissements naturels sur sa surface, des chevrons qui ne sont pas très hauts (0,03 nanomètres), mais forment les « bords » des pistes.



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Concrètement, quelle est la taille de ces pistes et comment se présentent-elles ?

C. J. : Elles doivent mesurer au total 100 nanomètres de longueur, et comporter trois lignes droites et deux virages. Les pistes sont normalement identiques – d’ailleurs, les équipes vont les choisir sur leur « quart » de médaillon parmi des milliers d’autres sur la surface. Les pistes font entre 4 et 6 nanomètres de largeur en ligne droite, par contre tous les tournants ne sont pas identiques : même s’ils sont tous orientés à 45 degrés, ils varient en largeur. Nous avons un juge de piste, Jean-Pierre Launay, qui va certifier le choix de la piste et sa longueur. En tout cas, l’important est de passer les virages, et c’est compliqué. En phase d’entraînement, je suis resté coincé cinq heures avec une équipe dans un virage en pleine nuit.



Mais comment procédez-vous pour faire avancer les voitures ?

C. J. : Pour les faire avancer – ET les observer –, nous utilisons la pointe d’un microscope à effet tunnel (STM). Le STM permet d’imager une surface avec une précision atomique et également de rester des minutes sur un seul atome. Pour illustrer l’ordre de précision et l’échelle, imaginez que vous renversiez la tour Eiffel et qu’avec son antenne, vous arriviez à pousser un petit grain de sel. Le STM utilise une pointe qui balaye une surface en stabilisant cette pointe au-dessus de la surface, tout en mesurant l’intensité du courant électrique entre la pointe et la surface. L’électronique de contrôle ajuste la hauteur de la pointe pour maintenir le courant constant à chaque ligne de balayage.



Pour illustrer l’ordre de précision et l’échelle, imaginez que vous renversiez la tour Eiffel et qu’avec son antenne, vous arriviez à pousser un petit grain de sel. On utilise un tel microscope, par exemple, pour mesurer la résistance électrique d’un seul atome ou d’une seule molécule (comme nous l’avons fait en 1995), pour écrire avec des atomes un par un (à l’instar de Don Eigler en 1989 avec son fameux logo d’IBM), pour pousser une seule molécule sur une surface (comme nous l’avons démontré en 1996) ou plus récemment pour construire atome par atome un fil atomique à la surface d’un semi-conducteur. Mais nous avons décidé de faire un pas de plus…



Oui, vous parvenez désormais à faire avancer la molécule sans la pousser mécaniquement. De quelle façon ?

C. J. : Nous arrivons à apporter un peu d’énergie (quelques mégaélectrovolts) sur une partie de la molécule, ce qui peut faire tourner une molécule-roue, ou déclencher un changement de structure de la molécule. Il faut donc positionner la pointe au bon endroit sur la molécule, avec une précision actuellement de l’ordre de quelques picomètres, puis passer le courant (de l’ordre de quelques dizaines de nanoampères) pendant quelques secondes et observer la molécule bouger, ensuite on s’interrompt pour générer une image. Les concurrents les plus attentifs ou aguerris parviennent à voir, dans les variations temporelles du courant qu’ils mesurent, si la molécule a bougé ou non. Pendant la compétition, certains vont peut-être même passer outre la génération d’image (3 à 5 minutes), mais ils le feront à leurs risques et périls, car leur voiture peut tout aussi bien avoir produit dix mouvements au lieu d’un, et sortir très loin de la piste.

La course a été créée et se déroule au Cemes, à Toulouse, car nous sommes les seuls au monde à posséder un microscope STM à quatre pointes modifié, pour permettre à quatre expérimentateurs distincts de travailler sur une même surface et en même temps. Ce microscope constitue donc « l’arène » de nos finalistes.

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Parlons un peu des concurrents. L’appel à été lancé en 2013 : parmi les neuf postulants, six ont été sélectionnés en mai 2016, et cette semaine, quatre finalistes devront se démarquer pour se retrouver sur le microscope à quatre pointes du Cemes.

C. J. : Oui, les six équipes sélectionnées sont : le groupe Cemes (CNRS)-université Paul-Sabatier (France), les universités de Rice et Graz (États-Unis et Autriche), la Dresden Technical University (Allemagne), le MANA-NIMS (Japon), l’université de Basel (Suisse), et l’Ohio University (États-Unis). Chaque équipe est composée d’un « pilote », qui va contrôler la pointe du microscope, et d’un copilote gérant la stratégie globale de la course. Les véhicules sont tous assez différents : la plupart ont des roues, au contraire de la voiture japonaise, qui est pourvue de deux pédales latérales. Tous les concurrents sont venus s’entraîner une à deux fois à Toulouse. Les molécules-voitures n’avancent pas toutes à des vitesses identiques, mais font entre 0,3 et 0,6 nanomètre en moyenne par impulsion d’énergie. Toutefois, pour calculer une vitesse par heure, tout dépend du nombre d’images enregistrées.



En parlant de stratégie, il a bien fallu « inventer » des règles. Lesquelles ?

C. J. : Nous ne les avons pas vraiment inventées... Nous nous sommes basés sur les règles de la première course automobile de l’histoire, le Paris-Rouen de 1894. À l’époque, il y avait quatre ou cinq types de moteurs possibles : électriques, mécaniques, à pédale, etc. Les organisateurs ont décidé d’ouvrir la course à tous les modèles.



Cette course rend accessible au grand public tout un pan de science fondamentale et de progrès instrumental, comme le microscope à effet tunnel. Une des règles que nous avons ajoutée est que si la voiture se casse, ou n’avance plus, les concurrents peuvent faire démarrer une des molécules de rechange, préalablement placée en bord de piste. Ce qui devient compliqué, car une équipe pourrait décider de casser volontairement et au bon endroit sa voiture si elle constate qu’elle fonctionne mal.

Lors cette fameuse course de 1894, ce furent d’ailleurs « les fils de Peugeot frères » qui partagèrent le premier prix, et c’est aujourd’hui le groupe PSA (Peugeot Société Anonyme) qui sponsorise la voiture moléculaire de l’équipe française…

C. J. : En effet. Nous avons obtenu beaucoup de sponsors pour cette course. Du côté de la concurrence, il y a Toyota pour les Japonais et Volkswagen pour les Allemands. Il revenait à chaque équipe de trouver ses propres sponsors.



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Cela permet de médiatiser encore plus cette course, dont le but est en réalité de nous faire découvrir ou redécouvrir une discipline scientifique en plein essor…

C. J. : Oui, car tout le monde peut s’identifier à une course de voiture. Cela permet à beaucoup de personnes de visualiser rapidement et clairement ce qu’est une molécule avec des roues. Cette course rend ainsi accessible au grand public tout un pan de science fondamentale et de progrès instrumental, comme le microscope à effet tunnel. Mais il s’agit également de montrer que l’aventure commencée en physique atomique – avec le logo IBM, par exemple – associe désormais pleinement la chimie et la conception de molécules-machines. Cette course permet aussi, bien évidemment, de montrer les avancées fulgurantes de l’atome technologie, et les changements qui vont réellement s’accomplir, grâce à nous et à d’autres. Pour l’instant, nous sommes contraints d’opérer sur une surface plate dans l’ultravide avec une sorte de fil à la patte : la pointe du STM. Mais dans le futur ? On sait déjà qu’il est possible d’augmenter un peu la température de la surface pour certains types de molécules sans qu’elles ne s’éparpillent. Et si l’on est capable aujourd’hui de faire travailler une seule et même molécule pendant des heures (ici, 36 heures de course) sur une table de travail – qui est une surface ultra-propre –, pourquoi pas ailleurs ? Dans un gel ? Dans un liquide ? À la surface d’une membrane de cellule ? D’autres questions restent ouvertes : comment contrôler à distance le fonctionnement d’une molécule-machine ? Parce qu’une pointe, c’est assez contraignant. Serait-il possible de placer une sorte d’antenne sur une molécule, susceptible de réceptionner quelques photons ? L’histoire n’est donc pas finie…



Pour suivre la course en direct à partir du 28 avril : http://nanocar-race.cnrs.fr/

ou sur la chaîne Youtube du CNRS