Hybride, des nanostructures multifonctionnelles avec diverses formes 3D et une composition de matériau complexe peuvent désormais être fabriquées avec une technique de fabrication précise et efficace.

La réalisation de nanomachines se rapproche de plus en plus de la réalité. Des chercheurs de l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents de Stuttgart contribuent à faire de l'un des grands défis des nanosciences une réalité. Ils ont développé une méthode qui permet de fabriquer un assortiment de nanostructures de forme inhabituelle et fonctionnalisables. Il leur permet de combiner des matériaux aux propriétés chimiques et physiques très variables à la plus petite des échelles. L'équipe de scientifiques dirigée par Peer Fischer a même développé des antennes lumineuses hélicoïdales d'une longueur inférieure à 100 nm à partir de matériaux qui ne peuvent généralement pas être façonnés à l'échelle nanométrique. Ceci est réalisé en déposant le matériau en phase vapeur sur un disque rotatif sur-refroidi. Non seulement le procédé permet la fabrication de nanostructures plus précisément que les méthodes précédentes, plusieurs milliards de telles nanoparticules peuvent être produites en parallèle de manière rapide.

Plusieurs des idées proposées sur ce que la nanotechnologie pourrait réaliser sont plutôt audacieuses :de minuscules robots pourraient transporter des médicaments dans le corps humain vers des foyers de maladies ou être suffisamment petits pour fonctionner dans une cellule humaine. Il serait possible que les nanomoteurs agissent comme des capteurs de lumière ou de toxines à des échelles de longueur 2 000 fois inférieures à l'épaisseur d'un cheveu humain. L'information pourrait être stockée dans des dispositifs de stockage à des densités plusieurs fois supérieures à ce qui est réalisable avec la technologie d'aujourd'hui. La recherche sur la réalisation de certains de ces objectifs est déjà assez proche. Maintenant, une équipe dirigée par Peer Fischer, Responsable d'un groupe de recherche au Max Planck Institute for Intelligent Systems, s'est encore rapproché. "Nous avons développé une solution polyvalente, précis, et un processus efficace avec lequel des nanostructures tridimensionnelles peuvent être fabriquées sur mesure à partir de divers matériaux", dit Peer Fischer. "Jusqu'à maintenant, les structures inférieures à 100 nanomètres ne pouvaient être créées que de manière très symétrique, formes principalement sphériques ou cylindriques."

Avec leur nouvelle méthode, les chercheurs sont désormais capables de produire des crochets nanoscopiques hybrides, des vis, et des structures en zigzag en traitant des matériaux aux propriétés physiques très diverses – métaux, semi-conducteurs, matériaux magnétiques, et isolants. A titre d'exemple d'applications possibles, les chercheurs ont produit des hélices d'or qui conviennent comme nanoantennes pour la lumière. La couleur de la lumière absorbée par les antennes peut être contrôlée par leur forme et la composition de leur matériau. Avec eux, la lumière polarisée circulairement peut par exemple être filtrée, un processus utilisé dans les projecteurs pour les films 3D. Aussi, le plan d'oscillation d'une onde électromagnétique - qui est ce qu'est la lumière polarisée - est tourné dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse selon le sens de rotation de la nanohélice métallique. L'effet est de plusieurs ordres de grandeur plus important par hélice que ce qui est observé avec les matériaux naturels.

Nanostructures d'un flux de vapeur sur des îlots de nanopoints d'or

Le contrôle exact de la forme et de la structure des nanocomposants a été réalisé par les chercheurs de Stuttgart au moyen de leur méthode élégante, qui peut produire plusieurs centaines de milliards de copies d'une structure complexe en une heure environ. A l'aide de la nanolithographie micellaire, qui est disponible depuis plusieurs années, ils placent d'abord des milliards de nanoparticules d'or régulièrement disposées sur la surface d'une plaquette de silicium ou de verre. Ils déposent des particules d'or recouvertes d'une coque polymère sur le substrat, qui s'arrangent ensuite en un tas serré, motif regulier. Après avoir retiré la coque polymère avec un plasma, les points dorés restent derrière liés au substrat. Les scientifiques placent ensuite la plaquette à motifs dans ce qui est essentiellement un flux de vapeur métallique à un angle suffisamment oblique pour que les atomes métalliques ne puissent voir que les minuscules îles d'or et se déposer uniquement à ces points. Ainsi, ils se transforment rapidement en nanostructures qui peuvent avoir des tailles de caractéristiques aussi petites que 20 nm.

Si les chercheurs font lentement tourner le substrat pendant le dépôt en phase vapeur, les tiges s'enroulent en hélice. S'ils font tourner le substrat brusquement, une forme en zigzag se forme. Si le matériau qui est vaporisé dans la chambre pendant le processus est changé, un matériau composite, tel qu'un alliage métallique, est formé. Et bien sûr, toutes ces astuces peuvent être combinées. Par exemple, ils ont attaché des crochets en cuivre à des tiges d'oxyde d'aluminium en utilisant une fine couche de titane pour faire adhérer les deux matériaux ensemble.

L'idée cruciale :le refroidissement à l'azote liquide

"Des structures plus grandes sont produites depuis un certain temps déjà de manière similaire", explique Andrew G. Mark, un chercheur de Max Planck qui a joué un rôle important dans le développement de la méthode. "Jusqu'à maintenant, cette méthode n'a pas pu être transférée aux nanostructures, cependant." C'est parce que le chaud, les atomes mobiles déposés à partir de la vapeur s'arrangent rapidement à la surface en une sphère en raison de considérations énergétiques. "Nous avons donc eu l'idée de refroidir le substrat à l'azote liquide à environ moins 200 degrés Celsius, qui traverse le porte-substrat, de sorte qu'un atome est rapidement gelé et fixé en position dès qu'il atterrit sur le sommet du nanocorps en croissance", dit John G. Gibbs, qui a également contribué de manière significative aux travaux de l'Institut Max Planck pour les systèmes intelligents.

Malgré la polyvalence de la méthode, toutes les formes ne peuvent pas être créées avec. "Parce que la structure s'éloigne toujours de la plaquette, pas de bagues, des triangles ou des carrés fermés peuvent se former", dit Fischer. "Nous ne sommes pas en mesure de construire une tour Eiffel à l'échelle nanométrique." Néanmoins, de nombreuses opportunités s'offrent à lui et à son équipe. "Notre objectif à long terme est de construire des nanomachines", dit Peer Fischer. "La nature construit des moteurs à l'échelle d'environ 20 nanomètres. Nous aimerions coupler nos composants à ces moteurs." Ensuite, il sera peut-être possible que de nombreux rêves de nanochercheurs deviennent une réalité.