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Nanotube

Par Philippe Barcelo

Des chercheurs se sont aperçu que des molécules avaient les propriétés de certains éléments de circuit. En fait un nanotube de carbone peut se comporter comme un transistor. L’intérêt, et un des défauts de ces éléments, est que contrairement aux matériaux de plus grande taille, leurs propriétés varient de façon non-linéaire, mais tout de même régulière. Autrement dit, le nombre d’atomes qui compose la macromolécule détermine si le matériau est conducteur ou non, ou le simple fait de le plier légèrement influencera de beaucoup ses propriétés. Cela découle du fait que ces nanotubes sont soumis aux lois de la mécanique quantique.

Pour ceux qui pensent que cette idée est toute nouvelle, sachez qu’elle a été proposée par un employé de IBM, Avi Aviram, au début des années 70. La nanostructure tubulaire de carbone a été découverte il y a environ 10 ans. La structure est un tube avec un diamètre de quelques atomes, une dizaine à peu près. La structure ressemble à la molécule C60 découverte en 1985, qui a la forme d’un ballon de soccer. Pour l’instant elle n’est produite qu’en petite quantité pour fins d’expérimentation.

Bien qu’il n’ait pas encore d’application commerciale, le premier transistor à base de nanotube de carbone a été construit en 1999. Les nanotubes sont fabriqués en brûlant du carbone à très haute température et en faisant baisser, par la suite, la température et la pression de façon brutale. Ce procédé produit des feuilles qui sont roulées pour faire de petits tubes. Cela est rendu possible par le fait que le carbone sous la forme de graphite est constitué de minces couches d’atomes disposés en hexagone et que ces couches glissent facilement les unes par rapport aux autres. Ces nanotubes sont perçus comme les remplaçants du transistor, car ils sont environ 100 fois plus rigides que l’acier et que leurs propriétés conductrices varient de conducteur à semi-conducteur.

Pour que ce matériau soit utilisable commercialement il faudrait qu’il soit au moins aussi performant et durable que la puce au silicium. Les coûts de cette dernière sont très élevés actuellement et la puce est fabriquée par un processus qui nécessite plusieurs étapes, alors que les composants moléculaires ne nécessitent que trois ou quatre étapes de fabrication, et que le coût de leur production tend à baisser avec le temps.

Le microscope à effet tunnel a beaucoup contribué à étudier le nanotube de carbone. On déplace une pointe très fine au-dessus de la surface à analyser. Les images sont générées par les électrons qui passent de la pointe à la surface. La pointe est sensible au changement de la surface et on peut aisément distinguer les changements de surface et les défauts de celle-ci. Cette technologie a beaucoup évolué dernièrement et permet maintenant de déplacer des atomes et de briser les liaisons entre ceux-ci. Les nanotubes de carbone ne sont évidemment qu’une des applications de l’électronique moléculaire. Des composants autres que les transistors peuvent être reproduits à l’échelle moléculaire, comme des diodes, des interrupteurs, etc. Les applications en informatique de cette technologie sont évidentes. Le transistor composé d’un nanotube de carbone permet d’économiser beaucoup d’espace, consomme moins d’énergie et l’information y circule beaucoup plus rapidement étant donné sa petite taille.

Je fais une parenthèse pour parler de Jan Hendrick Shöne. C’est un jeune scientifique allemand qui était employé par les Bell Laboratories de Murray Hill aux États-Unis. Il effectuait des recherches dans le domaine de l’électronique moléculaire et avait écrit, à 32 ans seulement, une centaine d’articles dans des revues assez prestigieuses comme Nature, Science et La Recherche. Une commission d’enquête l’a récemment reconnu coupable de fraude. En fait, sur les articles étudiés, tous contiennent soit des données sorties de nulle part, soit des mesures beaucoup trop précise et des énoncés qui contredisent la physique telle que nous la connaissons. De plus, aucune équipe de chercheurs n’a réussi à reproduire ses expériences. Pourtant, il a fallu qu’il se compromette en fournissant pour trois phénomènes physiques distincts des courbes qui se ressemblaient étrangement. Ce dérapage, qui a fait mal paraître plusieurs revues scientifique montre qu’il faut se méfier des découvertes trop extraordinaires. Je disais que le nanotube de carbone n’est qu’une des applications de l’électronique moléculaire. En fait les recherches dans le monde se font sur plusieurs matériaux qui peuvent remplacer des éléments de circuit. Tout comme le nanotube de carbone, les matériaux étudiés sont des supermolécules qui peuvent contenir des millions d’atomes. Tout a commencé en 1991 quand un scientifique japonais du nom de Sumio Lijima a eu l’idée d’observer les dépôts noirs d’un sous-produit de synthèse au microscope. Il a vu que ces dépôts contenaient des tubes fermés à leurs extrémités et qui étaient constitués de carbone. Des expériences sont effectuées dans d’autre laboratoires. Des équipes ont été capables d’attacher chimiquement d’autres molécules à un nanotube. En fait, plusieurs expériences permettent maintenant de le faire, ce qui permet de jouer avec les propriétés de ces mini-transistors. Par contre il est toujours impossible de fabriquer des petits nanotubes qui seraient moins longs, ce qui constitue une de leurs limites en ce qui concerne leur application en informatique. Une société de Boston Nantero a même développé une puce (NRAM) de 1.2 Go construite avec des milliards de nanotubes de carbones. Les nanotubes disposés verticalement sur une plaque de silicium s’orientent avec le passage d’un courant électrique. Cette puce est aussi rapide que la mémoire RAM et elle consomme moins d’électricité. Cette puce serait de plus peu coûteuse à produire étant donné qu’elle peut être réalisée avec les technologies d’assemblage de la mémoire RAM actuelle. En avril de cette année, IBM avait réussi a faire passer un courant électrique à travers un nanotube de carbone. Le 26 août dernier, IBM a présenté les résultats d’expériences aux cours desquelles des chercheurs ont réussi à créer un circuit logique à l’intérieur d’un nanotube de carbone. Ce circuit est un inverseur qui permet de changer le 0 du langage binaire en 1 et inversement, ce qui correspond au circuit « NOT » qui est l’un des trois circuits les plus utilisés en informatique avec « AND » et « OR ». Cette équipe dirigée par le docteur Phaedon Avouris a ainsi créé le premier circuit intra-moléculaire. Pour ce faire, ils ont réussi à implanter un transistor de type p (positif) et un de type n (négatif) sur le même nanotube. Ceci constitue un grand pas vers l’élimination des processeurs à base de silicium.

Un des professeurs de Polytechnique, Alain Rochefort, s’intéresse particulièrement aux nanotechnologies. Les recherches effectuées dans les laboratoires de Polytechnique portent sur l’influence de la déformation structurale, la présence d’un champ électrique externe, sur la présence d’impuretés et sur les propriétés d’un nanotube de carbone. On évalue aussi la résistance à la contamination quand ils sont utilisés dans des milieux industriels tels que les senseurs catalyseurs etc. Une étude sur un mélange de nanotubes et de molécule C-60 est actuellement en cours. Une autre application dont je n’ai pas parlé et qui est étudiée ici est le stockage de gaz, et plus précisément d’hydrogène, dans les nanotubes. Une étude a aussi été publiée. Cette application trouve son utilité dans la production future de voitures fonctionnant avec des piles à hydrogène. Les études actuelles portent sur la présence d’impureté dans le nanotube qui ont un fort potentiel d’absorption de ce gaz. Cette technologie permettrait une grande avancée dans ce domaine, car à ce jour il n’existe pas de réservoir de stockage assez sécuritaire pour l’hydrogène qui est un élément très instable. Environ tout les dix-huit mois la capacité de calcul des ordinateurs double grâce à la miniaturisation des composants d’un ordinateurs, mais la technologie au silicium est en train d’atteindre ses limites. Les nanotubes de carbone avec leurs propriétés variables et leur faible taille peuvent constituer une solution aux problèmes d’esace actuels.




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