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Depuis plusieurs mois, des sportifs d’un nouveau genre ont fait leur apparition dans les sous sols du CEMES de Toulouse. Sous leurs combinaisons anti poussières, quelques chercheurs triés sur le volet se sont transformé le temps d’une compétition en pilotes automobiles. Des pionniers qui s’apprêtent à entrer dans l’Histoire sportive et scientifique en participant à une compétition inédite : la Nano Car Race. Parmi les heureux élus, Franck Eisenhut représentera l’écurie allemande de l’Université de Dresde lors de la compétition qui se tiendra fin 2016 et qui verra s’affronter des nano-voitures venues du monde entier. Dans le cockpit de Franck, pas de volants ni de pédales d’accélérateur mais des écrans d’ordinateur qui vont permettre de contrôler à distance les plus petits bolides du monde.
ITV Franck Eisenhut
Ce que vous pouvez voir ici tout d’abord c’est une surface d’or, et sur cette surface vous pouvez voir quelques régions plus hautes dans cette image qui sont des molécules. Ce que nous allons tenter de faire c’est de déplacer une seule molécule le long d’un sillon sur cette surface.
Difficile à première vue de distinguer les voitures qui prendront part à la compétition. Celles-ci ne mesurent en effet que quelques nano-mètres, une échelle un million de fois plus petite que le millimètre, et ne sont visibles qu’avec un microscope particulier, le microscope à effet tunnel. C’est au cœur du modèle toulousain que se déroulera la course, un microscope qui va permettre à quatre pilotes de s’affronter simultanément sur la même piste grâce à ses quatre pointes.
ITV Christian Joachim
Le microscope à effet tunnel a été inventé par Binning et Rohrer en 1981. Il fonctionne de la manière suivante : vous avez une petite pointe que vous allez approcher d’une surface, là c’est ma main pour le moment, et vous allez approcher tout doucement cette pointe de la surface en maintenant entre la pointe et la surface une petite différence de potentiel, en mettant par exemple la main à la masse et en appliquant par exemple un volt de tension à la pointe. J’approche la pointe de ma main, et à un certain moment, à une petite distance qui sera pour une petite pointe très fine inférieure au nanomètre, un petit courant va apparaître entre la pointe et la surface. Quand vous allez commencer à balayer la pointe sur la surface, à chaque fois que vous allez rencontrer un doigt le courant va être fort, à chaque fois que vous allez être entre deux doigts le courant va être faible.
Grâce à un mouvement de balayage, la pointe du microscope va analyser une surface donnée et en livrer peu à peu une image sur les écrans de contrôle. Mais au delà de sa capacité d’analyse, cette même pointe et les électrons qu’elle transfert à la surface va permettre de stimuler les nano-voitures et de les faire avancer sur la piste. Des véhicules qui évoluent dans un environnement particulièrement hostile maintenu à une température de -270°C et dans lequel les lois physiques se trouvent complètement modifiées. Pour cette course à l’échelle de l’infiniment petit, l’asphalte des circuits de formule 1 a été remplacé par une surface plus noble, l’or. Un circuit précieusement conservé dans l’atelier du laboratoire transformé en véritable garage automobile.
ITV Christian Joachim
Ceci est la petite pastille d’or qui va servir à la course. Cette petite pastille d’or sera introduite dans l’ultravide, re-préparée avant que les molécules y soit déposées dessus. Nous avons choisi la surface d’or parce que c’est l’une des surfaces qui permet d’avoir quand elle est bien polie et bien reconstruite, des sillons pas très hauts mais qui vont permettre de guider les voitures comme des rails de sécurité sur un circuit Là vous avez des espèces de routes, de pistes, qui sont naturellement construites quand vous re-préparez la surface.
Evaporées sur la surface, les molécules de chaque équipe vont se répartir de manière aléatoire dans les différents sillons de la piste d’or. Le pilote est alors libre de choisir celle qu’il souhaite déplacer en la ciblant grâce à la pointe du microscope. Il peut ainsi espérer la faire bondir à une vitesse de 5 nm/heure pour parcourir la plus longue distance durant les 38 heures que durera la compétition. Un pilotage qui met à rude épreuve la résistance de ces fragiles engins.
ITV Franck Eisenhut
Nous sommes très excités par ce projet, d’avoir la chance de participer à cette compétition, de travailler avec une machine unique au monde. Ce n’est pas comme piloter des voitures ultra rapides, ce n’est pas la même adrénaline que d’être attentif à chaque instant, ça se rapproche plus d’un jeu vidéo. Cela prend un certain temps pour voir comment réagit votre molécule et c’est la partie excitante. Après trois minutes d’attente vous voyez ce qui s’est passé, si vous avez détruit votre molécule, si elle a bougé, ou si elle est toujours au même endroit.
Pour rendre possible une telle compétition, chacune des écuries inscrites a dû développer sa propre molécule de course. Construite à partir de quelques centaines d’atomes, les nano-voitures et leur design sont au cœur de la stratégie de course. En forme d’aile de moulin pour les allemands ou de dragster pour les américains, les nano-voitures présentes sur la ligne de départ affichent toutes de caractéristiques bien distinctes.
Le chimiste Gwenaël Rapenne a ainsi eu la lourde charge de synthétiser la molécule de l’équipe française sponsorisée par Peugeot dont la forme s’inspire du châssis d’une voiture ordinaire.
ITV Gwenaël Rapenne
La nano-voiture qui va être en compétition pour l’équipe de Toulouse en fait c’est une nano voiture assez grosse, je pense que ce n’est pas loin d’être la plus grosse des nano voitures. La particularité qu’elle a c’est qu’elle est très rigide ce qui fait qu’il y a très peu de degré de liberté, la seule chose qui peut tourner à priori ce sont les roues. On a donc 4 roues comme les voitures que l’on connaît tous dans le monde macroscopique – donc les R ça signifie les roues – les roues sont là donc ce sont des molécules qui ont trois pales et avec la rugosité de la surface ont peut imagine que ces roues vont se mettre à tourner et donc la molécule va se déplacer sur la surface sous l’effet de l’excitation des électrons du microscope à effet tunnel.
ITV Gwenaël Rapenne
Chacun aura le contrôle du flux d’électrons qu’il peut faire passer au travers de sa molécule et de la position de la pointe sur la surface. On est quand même assez à égalité puisque on va être tous sur la même surface, on va être tous là au même moment à la même température avec le même outil c’est à dire le même fuel, des électrons. Donc après ce seront les caractéristiques intrinsèques du nano véhicule qui feront si il gagne ou s’il ne gagne pas.
Pour décrocher la victoire, les écuries et leurs pilotes se relaieront à Toulouse dans les prochains mois pour des sessions d’entrainement en condition réelle. Une compétition qui devrait permettre d’approfondir les connaissances en matière de microscopie à effet tunnel et l’occasion de donner à la science des allures de compétition internationale.
Fin du suspense à l’automne 2016 sur la ligne d’arrivée de ce que les chercheurs ont déjà surnommé les 38 heures de Toulouse.
ITV Franck Eisenhut
Ce que vous pouvez voir ici tout d’abord c’est une surface d’or, et sur cette surface vous pouvez voir quelques régions plus hautes dans cette image qui sont des molécules. Ce que nous allons tenter de faire c’est de déplacer une seule molécule le long d’un sillon sur cette surface.
Difficile à première vue de distinguer les voitures qui prendront part à la compétition. Celles-ci ne mesurent en effet que quelques nano-mètres, une échelle un million de fois plus petite que le millimètre, et ne sont visibles qu’avec un microscope particulier, le microscope à effet tunnel. C’est au cœur du modèle toulousain que se déroulera la course, un microscope qui va permettre à quatre pilotes de s’affronter simultanément sur la même piste grâce à ses quatre pointes.
ITV Christian Joachim
Le microscope à effet tunnel a été inventé par Binning et Rohrer en 1981. Il fonctionne de la manière suivante : vous avez une petite pointe que vous allez approcher d’une surface, là c’est ma main pour le moment, et vous allez approcher tout doucement cette pointe de la surface en maintenant entre la pointe et la surface une petite différence de potentiel, en mettant par exemple la main à la masse et en appliquant par exemple un volt de tension à la pointe. J’approche la pointe de ma main, et à un certain moment, à une petite distance qui sera pour une petite pointe très fine inférieure au nanomètre, un petit courant va apparaître entre la pointe et la surface. Quand vous allez commencer à balayer la pointe sur la surface, à chaque fois que vous allez rencontrer un doigt le courant va être fort, à chaque fois que vous allez être entre deux doigts le courant va être faible.
Grâce à un mouvement de balayage, la pointe du microscope va analyser une surface donnée et en livrer peu à peu une image sur les écrans de contrôle. Mais au delà de sa capacité d’analyse, cette même pointe et les électrons qu’elle transfert à la surface va permettre de stimuler les nano-voitures et de les faire avancer sur la piste. Des véhicules qui évoluent dans un environnement particulièrement hostile maintenu à une température de -270°C et dans lequel les lois physiques se trouvent complètement modifiées. Pour cette course à l’échelle de l’infiniment petit, l’asphalte des circuits de formule 1 a été remplacé par une surface plus noble, l’or. Un circuit précieusement conservé dans l’atelier du laboratoire transformé en véritable garage automobile.
ITV Christian Joachim
Ceci est la petite pastille d’or qui va servir à la course. Cette petite pastille d’or sera introduite dans l’ultravide, re-préparée avant que les molécules y soit déposées dessus. Nous avons choisi la surface d’or parce que c’est l’une des surfaces qui permet d’avoir quand elle est bien polie et bien reconstruite, des sillons pas très hauts mais qui vont permettre de guider les voitures comme des rails de sécurité sur un circuit Là vous avez des espèces de routes, de pistes, qui sont naturellement construites quand vous re-préparez la surface.
Evaporées sur la surface, les molécules de chaque équipe vont se répartir de manière aléatoire dans les différents sillons de la piste d’or. Le pilote est alors libre de choisir celle qu’il souhaite déplacer en la ciblant grâce à la pointe du microscope. Il peut ainsi espérer la faire bondir à une vitesse de 5 nm/heure pour parcourir la plus longue distance durant les 38 heures que durera la compétition. Un pilotage qui met à rude épreuve la résistance de ces fragiles engins.
ITV Franck Eisenhut
Nous sommes très excités par ce projet, d’avoir la chance de participer à cette compétition, de travailler avec une machine unique au monde. Ce n’est pas comme piloter des voitures ultra rapides, ce n’est pas la même adrénaline que d’être attentif à chaque instant, ça se rapproche plus d’un jeu vidéo. Cela prend un certain temps pour voir comment réagit votre molécule et c’est la partie excitante. Après trois minutes d’attente vous voyez ce qui s’est passé, si vous avez détruit votre molécule, si elle a bougé, ou si elle est toujours au même endroit.
Pour rendre possible une telle compétition, chacune des écuries inscrites a dû développer sa propre molécule de course. Construite à partir de quelques centaines d’atomes, les nano-voitures et leur design sont au cœur de la stratégie de course. En forme d’aile de moulin pour les allemands ou de dragster pour les américains, les nano-voitures présentes sur la ligne de départ affichent toutes de caractéristiques bien distinctes.
Le chimiste Gwenaël Rapenne a ainsi eu la lourde charge de synthétiser la molécule de l’équipe française sponsorisée par Peugeot dont la forme s’inspire du châssis d’une voiture ordinaire.
ITV Gwenaël Rapenne
La nano-voiture qui va être en compétition pour l’équipe de Toulouse en fait c’est une nano voiture assez grosse, je pense que ce n’est pas loin d’être la plus grosse des nano voitures. La particularité qu’elle a c’est qu’elle est très rigide ce qui fait qu’il y a très peu de degré de liberté, la seule chose qui peut tourner à priori ce sont les roues. On a donc 4 roues comme les voitures que l’on connaît tous dans le monde macroscopique – donc les R ça signifie les roues – les roues sont là donc ce sont des molécules qui ont trois pales et avec la rugosité de la surface ont peut imagine que ces roues vont se mettre à tourner et donc la molécule va se déplacer sur la surface sous l’effet de l’excitation des électrons du microscope à effet tunnel.
ITV Gwenaël Rapenne
Chacun aura le contrôle du flux d’électrons qu’il peut faire passer au travers de sa molécule et de la position de la pointe sur la surface. On est quand même assez à égalité puisque on va être tous sur la même surface, on va être tous là au même moment à la même température avec le même outil c’est à dire le même fuel, des électrons. Donc après ce seront les caractéristiques intrinsèques du nano véhicule qui feront si il gagne ou s’il ne gagne pas.
Pour décrocher la victoire, les écuries et leurs pilotes se relaieront à Toulouse dans les prochains mois pour des sessions d’entrainement en condition réelle. Une compétition qui devrait permettre d’approfondir les connaissances en matière de microscopie à effet tunnel et l’occasion de donner à la science des allures de compétition internationale.
Fin du suspense à l’automne 2016 sur la ligne d’arrivée de ce que les chercheurs ont déjà surnommé les 38 heures de Toulouse.
La course des plus petits bolides du monde
15.04.2016
C'est une étrange course automobile, réunissant des équipes de différents pays, qui se prépare au laboratoire CEMES de Toulouse. Cet automne, des véhicules composés d'une centaine d'atomes vont en effet s'affronter lors de la NanoCar Race. Dans cette vidéo proposée en partenariat avec LeMonde.fr, découvrez les enjeux de cette course et la manière dont s'entraînent les chercheurs.
À propos de cette vidéo
Titre original :
NanoCar Race, des molécules sur la ligne de départ
Année de production :
2016
Durée :
6 min 30
Réalisateur :
Pierre de Parscau
Producteur :
CNRS Images
Intervenant(s) :
Christian Joachim
Centre d'Elaboration des Matériaux et d'Etudes Structurales
(CEMES/CNRS)
Gwénaël Rapenne
(CEMES/CNRS)
Corentin Durand
(CEMES/CNRS)
Pierre Abeilhou
(CEMES/CNRS)
Frank Eisenhut
Université Technique de Dresde
Sites officiels de la compétition :
Centre d'Elaboration des Matériaux et d'Etudes Structurales
(CEMES/CNRS)
Gwénaël Rapenne
(CEMES/CNRS)
Corentin Durand
(CEMES/CNRS)
Pierre Abeilhou
(CEMES/CNRS)
Frank Eisenhut
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