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10 découvertes 2009

Bricolage de pointe

[9] _Génie mécanique - École polytechnique, INRS-Énergie
Catherine Dubé - 27/04/2010


Ces micro-grillages, ces poutrelles minuscules et ces tout petits ressorts fabriqués à l’aide d’une… seringue ont beaucoup d’avenir devant eux. Le polymère dont ils sont faits est additionné de nanotubes qui leur confèrent rigidité, conductivité et légèreté!


Si la grande révolution nanotechnologique n’a pas enore eu lieu, c’est parce que les nanoparticules sont trop… petites. Leur taille (de l’ordre du millionième de millimètre) leur confère des propriétés exceptionnelles (conductivité électrique, rigidité extrême, changement de couleur, etc.), mais elle complique sérieusement leur utilisation! Pas facile de manipuler des matériaux qu’on ne peut même pas voir à l’œil nu.
Quand il s’agit de simplement mélanger des nanoparticules à de la peinture, ça va, mais comment faire pour positionner avec précision ces matériaux lilliputiens, comme il le faut dans le domaine de la microélectronique, par exemple? «On peut les déposer en couches minces, par lithographie, explique l’ingénieur mécanique Daniel Therriault, professeur à l’École polytechnique, à Montréal. Quand on veut fabriquer des microstructures en trois dimensions, cette technique est cependant limitée: on peut superposer plusieurs couches, mais c’est très laborieux et pas toujours réussi.»

Mais tout pourrait changer. Daniel Therriault et le physicien My Ali El Khakani, chercheur à l’INRS-Énergie, Matériaux et Télécommunications, ont réus­si à fabriquer des micro-grillages, des pou­­trel­les minuscules et même des micro-ressorts contenant des nanotubes de carbone, ces longs tubes constitués d’atomes de carbone.

Dans un premier temps, ils ont ajouté les nanotubes à du polymère. Le but? Allier la légèreté du polymère à la conductivité électrique des nanotubes ainsi qu’à leur grande rigidité. En ajoutant à peine 0,5% de nanotubes, ils ont rendu le matériau 15 fois plus rigide!

Les chercheurs ont ensuite rempli une seringue reliée à un ordinateur avec le mélange ainsi obtenu. En programmant avec précision la pression et la vitesse de déplacement de la seringue, ils ont pu reproduire avec fidélité la forme commandée.
Mais un tel exploit n’aurait pu se produire avec n’importe quel polymère. Celui qui a été choisi est du polyuréthane additionné d’un agent chimique réagissant aux ultraviolets (UV), habituellement vendu comme colle dans l’industrie électronique. Ce matériau durcit instantanément lorsqu’il est exposé à des UV.

Quand le liquide visqueux sort de la seringue, il est soumis à des faisceaux de lumière produits par des fibres optiques qui le figent en quelques secondes. C’est cette astuce qui permet de modeler des formes en trois dimensions. Car le polymère se solidifie au fur et à mesure, autorisant les changements de trajectoire de l’aiguille: courbes, virages à 90° ou mouvements suivant un axe vertical. Cela donne des micro-poutres qui tiennent debout toutes seules ou des lignes qui s’entrecroisent sans se toucher.

Mais pour en arriver là, l’étudiant au doctorat Louis Laberge Lebel a du faire bien des essais. Une des difficultés consistait à trouver l’angle parfait des faisceaux lumineux. Un mauvais positionnement, et toute la structure s’écroule. «C’est la quatrième version de la machine», dit Daniel Therriault en désignant la petite installation, posée sur une table dans son laboratoire.

En 45 secondes, un micro-ressort prend forme sous nos yeux. Mais pour le distinguer, mieux vaut en avoir de bons, car il ne mesure que 0,8 mm de diamètre et 2 mm de haut.

Ces jolis petits objets sont promis à un brillant avenir en microélectronique et dans l’industrie aérospatiale. Comme ils conduisent l’électricité, tout en étant plus légers que du métal, ils pourront être utilisés dans de minuscules systèmes électromécaniques, comme des senseurs, des capteurs ou des blindages électromagnétiques.

Un brevet a été déposé aux États-Unis (où se trouvent les principales compagnies de fabrication) et le procédé a fait l’objet d’une publication dans la respectée revue Advanced Materials en octobre 2009.

Daniel Therriault ne compte d’ailleurs pas s’arrêter là. «Notre procédé peut fonctionner avec d’autres types de nanoparticules», dit l’ingénieur. La conquête du nano-monde ne fait que commencer.

 
L’homme qui faisait pousser des nanotubes

Pour faire naître un gazon de nanotubes, il ne suffit pas de l’arroser.

Le physicien My Ali El Khakani produit des nanotubes de carbone depuis 10 ans dans son laboratoire de l’INRS. Ces longs tubes constitués d’atomes de carbone peuvent se former dans la nature à la suite de phénomènes de combustion, mais ils sont rares. Les scientifiques les fabriquent en général par des méthodes chimiques. Voici la recette (à ne pas réaliser à la maison). Dans un four, on place des nanoparticules de métal (du cobalt ou du nickel); on ajoute un gaz contenant du carbone, comme du méthane; on chauffe le tout à 700 °C, jusqu’à ce que les molécules de gaz se dissocient et libèrent les atomes de carbone. Ces derniers prennent alors ancrage sur les grains de métal et les nanotubes se mettent à croître, comme un gazon microscopique. Seul inconvénient: cette méthode engendre des nanotubes à plusieurs parois, imbriquées les unes dans les autres comme des poupées russes, dont le diamètre peut aller jusqu’à 100 nanomètres (nm).

Pour obtenir des nanotubes à une seule paroi, très longs et très fins (ils ont à peine 1 nm de diamètre, soit un millionième de millimètre), My Ali El Khakani et son équipe utilisent une tout autre technique. Ils fabriquent d’abord une petite galette de carbone, qu’ils parsèment de particules de métal; ils la placent ensuite dans un four, puis ils braquent dessus un laser puissant, qui vient littéralement arracher des atomes. À l’endroit précis visé par le laser, la température monte à près de 4 000 °C, et c’est dans ce nuage de matière atomisée que les nanotubes se forment.

«Ce qu’on ramasse ressemble à un tapis de velours noir un peu caoutchouteux principalement formé de nanotubes de carbone», dit My Ali El Khakani. Ils s’y trouvent mélangés à des résidus de carbone entre autres. On les récupère après plusieurs étapes de purification.

Les nanotubes de carbone ont une propriété singulière: ils peuvent être conducteurs ou semi-conducteurs, selon l’axe d’enroulement de la «feuille» de carbone formant le tube. «Si on était capable de les positionner avec une nanopince, on obtiendrait les meilleurs transistors du monde», souligne My Ali El Khakani.

En 2009, avec son étudiant au doctorat Brahim Aïssa, il a réussi, grâce à une méthode hybride mariant chimie et laser, à faire pousser des nanotubes de carbone directement entre des nanoélectrodes posées sur du silicium, évitant toute étape de manipulation subséquente. Une première internationale, publiée dans Nanotechnology. Et il a gagné son pari: les nanotubes obtenus ont le comportement d’un transistor.


Les 10 découvertes de l'année 2009