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Histoires de réussite - Le nanomètre : mesure minuscule, travail gigantesque
Le 1 septembre 2008 — Ottawa, Ontario
Vous ne vous en servirez jamais pour mesurer quoi que ce soit à la maison, mais un jour, cette échelle pourrait bien devenir l'étalon des technologies miniatures qui changeront la vie quotidienne.
En effet, une équipe de scientifiques du CNRC a entrepris de mettre au point un instrument de mesure fait de lignes ou de réseaux nanométriques régulièrement espacés, un peu comme sur une règle. Maints ingénieurs pourraient y recourir lorsqu'ils concevront des nanotechnologies. Cet étalon de longueur guidera le Canada et le reste de la communauté internationale dans un nouvel univers peuplé de mesures minuscules.
Le nanomètre (ou milliardième de mètre) marque l'extrême limite des mesures industrielles. Scientifiques et ingénieurs fabriquent et utilisent déjà des dispositifs nanométriques dans leurs laboratoires et de nombreuses puces informatiques arborent des détails de l'ordre du nanomètre. Cependant, un élément majeur manque toujours à la révolution de la nanotechnologie : un instrument de mesure. Ni les scientifiques, ni les ingénieurs ne possèdent d'étalon internationalement reconnu du nanomètre dont ils pourraient aisément se servir.
La situation ne va pas sans rappeler celle qui incita Sir Sanford Fleming, un Canadien, à diriger l'adoption d'une heure normale internationale. L'expansion des réseaux ferroviaires à travers le continent au XIXe siècle nécessitait l'uniformisation du temps pour que l'horaire des trains soit fiable et pour permettre un commerce efficace.
« Nous devons établir des étalons traçables et vérifiables, mais aussi des méthodes pour les nanotechnologies », affirme Jennifer Decker, chef d'équipe en métrologie appliquée à la nanotechnologie à l'Institut des étalons nationaux de mesure du CNRC (IENM-CNRC). Mme Decker est aussi membre du Comité consultatif canadien au Comité technique des nanotechnologies de l'Organisation internationale de normalisation (ISO). Plus précisément, elle participe aux réunions du groupe de travail chargé d'établir les étalons à l'échelle nanométrique et de déterminer leurs caractéristiques. « Ces étalons auront d'importantes répercussions sur le commerce, car tout le monde les respectera. Le Canada doit figurer à la table des négociations. Ce sont les pays participants qui dicteront la nature des étalons. »
« L'idée est de devancer d'un pas les nanotechnologies en train de voir le jour afin d'en faciliter la commercialisation », explique Mark McDermott, chercheur principal à l'Institut national de nanotechnologie du CNRC (INN) et professeur adjoint au département de chimie de l'Université de l'Alberta.
Les scientifiques du CNRC mesurent les (petites) forces
Imaginez-vous en train de coller du pouding sur de la styromousse. Résultat inévitable : un gâchis. C'est ce que les scientifiques tentent d'éviter à l'échelle du nanomètre. Pour cela, ils construisent un des dispositifs les plus sensibles au monde pour détecter les petites forces.
Les petites forces sont les forces moléculaires qui déterminent les propriétés physiques comme l'adhésion, la dureté et l'élasticité. On les mesure déjà facilement pour les objets macroscopiques, visibles à l'oeil nu. Cependant à l'échelle du nanomètre (un milliardième de mètre), les propriétés des matériaux ne sont plus les mêmes.
« Quand on réunit des nanomatériaux, les petites forces déterminent si l'expérience sera couronnée de succès ou pas », déclare Mark McDermott, chercheur principal à l'Institut national de nanotechnologie du CNRC (INN) et professeur adjoint au département de chimie de l'Université de l'Alberta. « Dans le domaine tout neuf de la nanotechnologie commerciale, il est capital de pouvoir mesurer et caractériser ces forces minuscules. »
M. McDermott pilote un projet coopératif du CNRC visant à créer un des dispositifs les plus sensibles au monde pour jauger les petites forces. Baptisé « microscope à force interfaciale » (MFI), l'appareil fonctionnera à la manière d'une aiguille incroyablement fine qu'on plongera dans le nanomatériau. Il enregistrera la profondeur de pénétration (nano- indentation). On pourra donc mesurer avec précision les propriétés des petites forces, bref établir comment le matériau se comportera avec d'autres matériaux.
Ces recherches sont au coeur d'un projet rassemblant plusieurs instituts du CNRC, sous la direction de l'IENM-CNRC, et aboutiront à des étalons de mesure quantifiables pour la nanotechnologie.
Le projet MFI se déroule en collaboration avec Peter Norton, professeur à l'Université Western Ontario, devenu une sommité mondiale en raison de ses travaux sur l'application du MFI à la nanotribologie, c'est-à-dire l'étude des caractéristiques nanométriques des surfaces en interaction comme celles des engrenages en mouvement. L'équipe de l'INN comprend aussi David Munoz-Paniagua, ancien étudiant au doctorat de M. Norton, et l'une des seules personnes au monde à posséder de l'expérience dans la construction d'un MFI.
« À cette échelle, un léger écart de longueur peut entraîner une énorme différence sur le plan pratique. Ainsi, un instrument peut fonctionner lorsque deux matériaux sont séparés de 2 nanomètres et ne pas le faire si la distance est de 2,1 nanomètres. On doit pouvoir effectuer de telles mesures et les vérifier. »
L'élaboration de l'étalon canadien du nanomètre est un projet auquel participent quatre instituts du CNRC et deux universités. Ensemble, ceux-ci possèdent une combinaison unique de compétences et de talents en fabrication, conception d'instruments et métrologie nanométriques.
On prévoit que chaque étalon (imaginez un jeu de lignes régulièrement espacées) mesurera environ un millimètre carré – on en gravera huit sur une puce de silicium d'approximativement un centimètre carré. Cette puce normalisée portera donc huit réseaux dont les traits seront espacés de 150 nanomètres à 10 micromètres.
Le prototype sera réalisé au tout récent Centre canadien de fabrication de dispositifs photoniques (CCFDP), à l'Institut des sciences des microstructures du CNRC (ISM-CNRC). Les scientifiques de l'ISM-CNRC recourront à la lithographie par faisceau d'électrons, méthode en vertu de laquelle on utilise un faisceau d'électrons très précis pour produire des nanodispositifs photoniques et électroniques. Le CCFDP fournira l'expertise nécessaire à la création des dispositifs nanométriques, car on y développe la technique de lithographie par nano-impression qui aboutira au prototype de la puce appelée à devenir l'étalon de mesure. Avec Frank Shepherd à sa tête, le groupe fabriquera d'abord un modèle en quartz par lithographie par faisceau d'électrons. Ce modèle sera ensuite utilisé pour fabriquer des copies exactes de ces étalons de mesure du nanomètre.
Un des objectifs du programme de métrologie appliquée à la nanotechnologie du CNRC consiste à établir dans quelle mesure les lignes des réseaux gravés par cette technique de lithographie ont le même écartement. Les spécialistes du laboratoire de métrologie dimensionnelle de l'ISM-CNRC se chargeront de le vérifier. On y a d'ailleurs créé un diffractomètre à formation d'images pour mesurer le pas des réseaux unidimensionnels : on dirige la lumière d'un laser sur le réseau, on mesure l'angle du rayon réfléchi et on calcule la valeur moyenne du pas. Le diffractomètre détermine l'écartement moyen des lignes avec un degré d'incertitude considérablement inférieur à la distance séparant deux atomes.
Un autre instrument clé est le microscope à force atomique métrologique en train d'être mis au point par Brian Eves, à l'IENM-CNRC. La plupart des microscopes à sonde à balayage font appel à des artefacts normalisés comme la puce servant d'étalon de mesure au CNRC pour établir les longueurs exactes. Le microscope à force atomique métrologique garantira l'exactitude de la mesure en s'appuyant sur la définition du mètre, qui repose sur la vitesse de la lumière dans le vide. On s'en servira notamment pour étalonner l'espacement des lignes à un écart inférieur à celui que permet présentement le diffractomètre à formation d'images.
La science est telle qu'une autre génération d'étalons nanométriques succédera sans doute à celle-ci. Les nouveaux étalons se fonderont peut-être sur des normes intrinsèques tel l'espace séparant les atomes dans la forme cristalline du silicium. M. Marek Malac de l'INN examinera l'usage de tels étalons avec un microscope électronique à transmission.
Shan Zou, de l'ISSM-CNRC, travaillera aussi avec l'IENM-CNRC pour créer des artefacts applicables aux mesures usuelles de la force et de la distance dans les échantillons biologiques mous.
Dans l'intervalle toutefois, il faut répondre aux besoins de scientifiques comme Linda Johnston, de l'Institut Steacie des sciences moléculaires du CNRC (ISSM-CNRC). Les microscopes à sonde à balayage et les appareils combinant la microscopie à force atomique et la microscopie optique sont parmi les plus importants pour le développement de la nanotechnologie. Les meilleurs instruments permettront aux chercheurs de visualiser les cellules vivantes et la structure atomique des surfaces. Pour que ces appareils fournissent des mesures précises, il est essentiel de les calibrer fréquemment avec des pas de réseaux unidimensionnels normalisés. Shan Zou, de l'ISSM-CNRC, travaillera aussi avec l'IENM-CNRC pour créer des artefacts applicables aux mesures usuelles de la force et de la distance dans les échantillons biologiques mous.
Le regard de la planète étant braqué sur l’économie, notamment sur le soutien procuré au commerce et à la fabrication dans le monde, on recourra à ces outils de mesure pour comparer les expériences poursuivies un peu partout dans le monde. Si l’on démontre que la lithographie par nano-impression produit des réseaux au pas rigoureusement identique, on pourra en expédier simultanément un grand nombre aux instituts de mesure nationaux du monde entier et rehausser l’intégrité métrologique des exercices comparatifs – donc, procurer aux scientifiques et aux ingénieurs cet étalon de mesure nanométrique si important, qui sera de plus aisément utilisable et internationalement reconnu.
