Des chercheurs de l'EPFL ont imprimé des capteurs à l'échelle nanométrique capables d'améliorer les performances des microscopes à force atomique.

De minuscules capteurs fabriqués par impression 3D à l'échelle nanométrique pourraient être la base de la prochaine génération de microscopes à force atomique. Ces nanocapteurs peuvent améliorer la sensibilité et la vitesse de détection des microscopes en miniaturisant jusqu'à 100 fois leur composant de détection. Les capteurs ont été utilisés pour la première fois dans une application réelle à l'EPFL, et les résultats sont publiés dans Communication Nature .

Un petit tourne-disque qui « écoute » les atomes

La microscopie à force atomique est basée sur une technologie puissante qui fonctionne un peu comme une platine miniature. Un petit cantilever à pointe nanométrique passe sur un échantillon et trace son relief, atome par atome. Les mouvements de haut en bas infinitésimaux de la pointe sont captés par un capteur afin que la topographie de l'échantillon puisse être déterminée.

Une façon d'améliorer les microscopes à force atomique est de miniaturiser le cantilever, car cela réduira l'inertie, augmenter la sensibilité, et accélérer la détection. Des chercheurs du Laboratoire de bio- et nano-instrumentation de l'EPFL y sont parvenus en équipant le cantilever d'un capteur de 5 nanomètres d'épaisseur réalisé avec une technique d'impression 3D à l'échelle nanométrique. « En utilisant notre méthode, le porte-à-faux peut être 100 fois plus petit, " dit Georg Fantner, le directeur du laboratoire.

Des électrons qui sautent par-dessus les obstacles

Les mouvements de va-et-vient de la pointe nanométrique peuvent être mesurés grâce à la déformation du capteur placé à l'extrémité fixe du porte-à-faux. Mais parce que les chercheurs avaient affaire à des mouvements infimes – plus petits qu'un atome – ils ont dû sortir un tour de leur chapeau.

En collaboration avec le laboratoire de Michael Huth à la Goethe Universität de Francfort-sur-le-Main, ils ont développé un capteur composé de nanoparticules de platine hautement conductrices entourées d'une matrice de carbone isolante. Sous des conditions normales, le carbone isole les électrons. Mais à l'échelle nanométrique, un effet quantique entre en jeu :certains électrons sautent à travers le matériau isolant et voyagent d'une nanoparticule à l'autre. "C'est un peu comme si les gens marchant sur un chemin se heurtaient à un mur et que seuls quelques courageux réussissaient à l'escalader, " a déclaré Fanner.

Lorsque la forme du capteur change, les nanoparticules s'éloignent les unes des autres et les électrons sautent moins fréquemment entre elles. L'évolution du courant révèle ainsi la déformation du capteur et la composition de l'échantillon.

Capteurs sur mesure

Le véritable exploit des chercheurs a été de trouver un moyen de produire ces capteurs dans des dimensions nanométriques tout en contrôlant soigneusement leur structure et, par extension, leurs propriétés. "Dans le vide, nous distribuons un gaz précurseur contenant des atomes de platine et de carbone sur un substrat. Ensuite, nous appliquons un faisceau d'électrons. Les atomes de platine se rassemblent et forment des nanoparticules, et les atomes de carbone forment naturellement une matrice autour d'eux, " a déclaré Maja Dukic, l'auteur principal de l'article. "En répétant ce processus, nous pouvons construire des capteurs avec n'importe quelle épaisseur et forme que nous voulons. Nous avons prouvé que nous pouvions construire ces capteurs et qu'ils fonctionnent sur des infrastructures existantes. Notre technique peut maintenant être utilisée pour des applications plus larges, allant des biocapteurs, Capteurs ABS pour voitures, pour toucher des capteurs sur des membranes flexibles dans les prothèses et la peau artificielle."