Et l’homme créa les nanohybrides

Dans toutes les choses qui nous entourent – chaises, roches, fleurs – les atomes sont placés d’une certaine façon. My Ali El Khakani aimerait les réorganiser autrement. Dans son laboratoire, il pulvérise la matière et tente de la reconstruire pour en tirer le meilleur. « On se prend pour des orfèvres du nanomonde, en quelque sorte », confie le professeur du Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l’INRS.

Ces orfèvres des temps modernes créent toutes sortes de nanoparticules, un million de fois plus petites qu’un cheveu. « Elles ont des propriétés physiques qui n’existent pas à l’échelle macroscopique », explique le physicien, assis au milieu de piles de paperasses dans son bureau. Ces nanoparticules promettent de donner un grand coup de balai dans plusieurs domaines de la haute technologie : de l’électronique à la construction en passant par l’agroalimentaire et la pharmaceutique.

Mais la vedette incontestée de cette révolution nanotechnologique, c’est les fameux nanotubes de carbone. My Ali El Khakani en fabrique dans son laboratoire depuis près de quinze ans. La réputation de cette longue paille ultrafine dont la paroi est faite d’une seule épaisseur d’atomes de carbone n’est plus à faire : elle est mille fois plus solide que l’acier et conduit le courant et la chaleur mieux que le cuivre – et son plein potentiel n’est pas encore exploité! « Les nanotubes de carbone constituent le matériau par excellence qui a presque toutes les propriétés souhaitées et souhaitables », explique le chercheur.

[ Professeur My Ali El Khakani ]

Le nanotube est l’ingrédient de base d’un nouveau matériau nanohybride synthétisé par l’équipe de l’INRS, qui s’est retrouvé récemment en page frontispice de la revue savante Advanced Materials, véritable bible en science des matériaux. Sur ses nanotubes, le physicien et son équipe ont développé un procédé qui permet de déposer des « nanoperles » de sulfure de plomb et d’en contrôler la taille et la densité de surface. Ce nanohybride a la particularité de créer un courant électrique lorsqu’il est exposé à la lumière. De plus, le contrôle des caractéristiques des « nanoperles » permet de tailler sur mesure les propriétés d’absorption de la lumière du nanohybride, ce qui lui promet un bel avenir dans le domaine de l’énergie solaire et de la photodétection rapide.

Pour mesurer l’avancée que représente cette alchimie futuriste, il faut savoir que certains nanomatériaux sont déjà utilisés pour fabriquer des nanocomposites à haute performance. Pour ce faire, on mélange le plus finement possible des nanotubes de carbone à d’autres matrices – plastiques, vernis, etc. On obtient ainsi des nanocomposites pour des carlingues d’avion ou des carrosseries d’auto plus légères mais ultra-résistantes, des vernis à plancher impossible à égratigner, etc. « En raffinant encore plus ces procédés, on fabriquerait des nanocomposites encore plus performants avec de très faibles quantités de nanotubes », ajoute le professeur El Khakani.

Son rêve serait de les « nanomanipuler » un par un et les « trier » en fonction de leur caractère conducteur ou semi-conducteur : « Idéalement, on aimerait prendre chaque nanotube avec une pince et le positionner au bon endroit. » Pour l’instant, les « nanopinces » de My Ali El Khakani sont encore à venir. En attendant, ce sont plutôt des réacteurs chromés, hérissés de multiples tuyaux et fils et siphonnés par des pompes à ultra-haut vide qui servent de plateforme de synthèse et d’assemblage de ces nanomatériaux. « La plupart de ces réacteurs sont conçus et réalisés sur mesure dans nos installations, ici à l’INRS », dit-il fièrement en circulant dans son laboratoire.

Au cœur de ses réacteurs : un laser ultraviolet surpuissant. Ce rayon invisible à l’œil nu bombarde la matière avec une puissance équivalente à celle de la grande centrale hydroélectrique de la Manic-5 sur la côte nord du Québec, mais seulement pendant quelques milliardièmes de secondes à la fois et sur une surface petite comme une graine de sésame. Il avertit : « Attention, il ne faut pas mettre sa main dans le chemin du laser! » On risquerait en effet un coup de soleil carabiné.

[ À gauche : Aperçu au travers d’une fenêtre de l’intérieur d’un réacteur sous ultra-haut vide où les nanomatériaux sont synthétisés. On y voit une « plume » lumineuse émanant de la cible de sulfure de plomb en cours d’ablation par le laser ultraviolet. À droite : des échantillons de nanotubes de carbone sous forme solide et en solution (à divers degrés de purification) pour les utiliser sous forme des films (par « spary-coating ») dans les dispositifs photovoltaïques. ]

Sur la pastille de carbone ou de sulfure de plomb, ce rayon a l’effet d’une bombe. La matière est sublimée instantanément. Des éclats atomiques et moléculaires de la pastille ainsi ablatée par le laser sont éjectés à une vitesse supersonique. En contrôlant savamment le champ électromagnétique et les écarts de température dans ses réacteurs, My Ali El Khakani réussit à faire croître ses nanotubes, les aligner sur un substrat puis à y coller des nanoperles de sulfure de plomb.

Mais en quoi ce nanohybride pourrait permettre de faire de meilleurs panneaux solaires que le bon vieux silicium? « Le silicium ne capte essentiellement que la lumière visible, alors que les nanomatériaux peuvent aussi absorber des rayons ultraviolets et des infrarouges », répond le professeur. Plus de lumière, donc, à convertir en électricité. Il poursuit : « La transmission électrique y est très rapide, sans perte d’énergie. Mais aussi, à cause de leur dimension nano, on utilise moins de matériau sur une plus grande surface. Ce sont là tous des ingrédients très attrayants qui nous incitent à poursuivre les efforts dans ce domaine! » Le physicien concède toutefois que de tels nanohybrides ne remplaceront pas le silicium à très court terme : « Peut-être dans dix ans », estime-t-il.

Mais My Ali El Khakani a la foi : notre rendez-vous avec ce type de matériau est inévitable. Pour en être convaincu, il suffit de l’entendre parler de la Chine lancée à fond de train dans les énergies renouvelables, de la ceinture de réacteurs solaires en Afrique du Nord qui pourraient un jour alimenter l’Europe, de la microélectronique dans laquelle les nanotubes de carbone font leur entrée… Et que dire des nanomatériaux qui pourront communiquer avec le corps humain, les cellules ou l’ADN? Ouf! On l’écouterait pendant des heures… ?