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Pour détecter avec précision des particules élémentaires, des scientifiques développent des capteurs composés de millions de « nano-canaux », des tubes mille fois plus fins qu’un cheveu. En tapissant l’intérieur de ces minuscules tunnels de nouveaux matériaux à base de polymères, une équipe lyonnaise espère créer des dispositifs plus compacts et plus sensibles. Une piste innovante qui permettrait de transformer la détection à haute résolution en physique fondamentale.
Le télescope CAT (Cerenkov array at Themis), installé à la centrale solaire THEMIS (Targasonne, Pyrénées Orientales) : observation des gammas cosmiques dès l'énergie de 200 GeV. Vue de la face avant de la caméra. Les points clairs correspondent à la maille de l'imagerie. Dans la main : un des 600 photomultiplicateurs (chacun répond en un milliardième de seconde après l'arrivée d'un photon). © Laurence MEDARD/CNRS Images
Qu’il s’agisse de construire un appareil photo pour immortaliser nos souvenirs de vacances ou un détecteur de particule pour mieux comprendre la structure fondamentale de la matière, le système fonctionne toujours de la même manière : il convertit un signal entrant (photons ou particules) en un signal électrique lisible par l’électronique de l’appareil et exploitable ensuite.
Dans le cas du capteur d’un appareil photo, par exemple, les photons lumineux incidents produisent des charges électriques dans chaque pixel du détecteur formant l’image. Mais lorsque l’intensité lumineuse est extrêmement faible, le nombre de photons est insuffisant pour constituer une charge électrique détectable.
Pour ces détections extrêmes, des "photomultiplicateurs" ont longtemps été utilisés.
L’arrivée d’un seul photon sur un photomultiplicateur émet un unique électron, accéléré et amplifié ensuite en cascade à travers une série d’électrodes jusqu’à produire une « avalanche électronique » bien plus importante, détectable par les circuits en aval de l’appareil (cf. illustration ci-dessous). Ce dispositif est extrêmement sensible et particulièrement adapté à la détection de signaux lumineux très faibles, ou de particules uniques. Son inconvénient est sa taille, typiquement une dizaine de centimètres. On pourrait imaginer construire un détecteur similaire à un capteur photo, ou chaque pixel est constitué d’un photomultiplicateur, mais la taille finale du système ainsi construit serait plus grand qu’un être humain !
Un Micro-Channel Plate est un dispositif regroupant, sur quelques centimètres-carrés, des millions de micro-photomultiplicateurs capables de détecter avec rapidité et précision des signaux extrêmement faibles. © Emilie Josse
La miniaturisation : le secret pour des détecteurs toujours plus performants.
Depuis les années 1980, la miniaturisation a mené à la création des Micro-Channel Plates (MCP) : des plaques fines de quelques centimètres carrés percées de millions de micro-tubes métallisés, où chaque canal joue le rôle d’un photomultiplicateur miniature.
Leur extrême sensibilité, leur rapidité et leur précision en ont fait des composants essentiels dans des domaines très différents comme les dispositifs de vision nocturne, l'imagerie spatiale ou la détection de particules avec une très grande résolution.
Mais un obstacle demeure dans la course à la miniaturisation de ces dispositifs. En dessous d’une dizaine de microns1, il devient très difficile d’assembler des nanotubes réguliers et surtout de les recouvrir uniformément de matériaux métalliques actifs pour amplifier les charges électriques produites. Les méthodes classiques fonctionnent correctement dans le cas de micro-tubes, mais ils s'avèrent inadéquates pour un dépôt à l’échelle nanométrique.
Plus petit, plus précis… les polymères passent à l’échelle nanométrique
C’est dans ce contexte qu’une discussion entre Anatoli Serghei, physicien au laboratoire Ingénierie des matériaux polymères2 (IMP), et des membres de l’Institut de physique des deux infinis de Lyon3 (IP2I), fait émerger une idée nouvelle : utiliser les avancées récentes dans la création de membranes d’aluminium percée de trous de taille nanométriques pour concevoir, non plus des Micro-Channel Plates (MCP), mais des Nano-Channel Plates (NCP), des capteurs dont la résolution pourrait atteindre 100 à 1000 fois celle des dispositifs MCP existants.
Comparaison du diamètre des tubes de détection dans un Micro-Channel Plate classique (MCP, à gauche) et un Nano-Channel Plate (NCP, à droite). L’échelle, en haut à gauche de chaque image, montre que les tubes des NCP sont 100 fois plus fins que les MCP. © Anatoli SERGHEI
Reste à revêtir ces nano-canaux de matériaux capables d’émettre des électrons lorsqu’ils sont frappés par une particule, condition indispensable pour déclencher l’avalanche électronique. La solution viendra des matériaux développés au sein du laboratoire où travaille aujourd’hui Anatoli Serghei : les polymères.
Des chaînes de perles moléculaires
« Un polymère est une chaîne de molécules appelées monomères liées entre elles et répétées un grande nombre de fois pour former une macromolécule, comme un collier de perles» nous dit Anatoli Serghei. Il en existe de nombreux exemples, omniprésents dans la vie courante, du polyéthylène à partir duquel sont fabriquées les bouteilles en plastique à l’ADN de nos cellules. Longtemps considérés comme isolants, certains se sont finalement révélés conducteurs. Cette découverte a été récompensée par le Prix Nobel de Chimie en 2000 (Heeger, MacDiarmid & Shirakawa).
Contrairement aux métaux, très difficiles à déposer de manière homogène en phase gazeuse dans des cavités nanométriques, les polymères, eux, peuvent former des films de quelques nanomètres, même dans des réseaux de nanotubes, simplement en plongeant la membrane dans une solution de polymères dont on contrôle précisément la concentration.
Image par microscopie électronique des dépôts de polymères déposés sur l’intérieur de la face des nanotubes. Après dépôt, la matrice d’aluminium sur laquelle les polymères ont été appliqués a été abrasée. Ce sont donc juste les dépôts de polymères (en forme de tube) que l’on voit ici. © Anatoli Serghei
Pour les NCP étudiés, deux matériaux se sont imposés : le P3HT, connu pour son aptitude à transporter des charges, et le polystyrène, excellent pour l’émission d’électrons et la résistance aux hautes tensions. Mélangés ou déposés en couches successives, ils permettent ainsi de mettre au point des nano-canaux capables à la fois de conduire et d’émettre des électrons, mais aussi de résister à des tensions de 2 000 volts dans le vide.
Les premiers prototypes de Nano-Channel Plates testés récemment montrent des résultats très prometteurs. En combinant nanoscience, physico-chimie des polymères et technologies de détection, Anatoli Serghei et ses collègues ouvrent la voie à une nouvelle génération de détecteurs de particules plus précis, plus légers, plus faciles à fabriquer et fondés non plus sur des métaux, mais sur des polymères conçus pour fonctionner à l’échelle nanométrique.
Cet article fait partie du dossier thématique "Quand l’ingénierie façonne la recherche scientifique" réalisé dans le cadre de l'Année de l'Ingénierie, en collaboration avec Pop’Sciences - Université de Lyon (mise en ligne prévue le 20 janvier 2025).
Ces recherches ont été financées en tout ou partie, par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) au titre du projet ANR-PlyNANOPAD-AAPG2020. Cette communication est réalisée et financée dans le cadre de l’appel à projet Sciences Avec et Pour la Société - Culture Scientifique Technique et Industrielle pour les projets JCJC et PRC des appels à projets génériques 2020 (SAPS-CSTI-JCJC et PRC AAPG