Des chercheurs de l’université de Nagoya au Japon ont développé une méthode pour former des bosses en forme de dôme sur des nanofilms dans l’eau à l’aide d’un faisceau d’électrons guidé par ordinateur. Les bosses se forment en moins de 10 secondes et peuvent être aplaties, remodelées ou repositionnées selon les besoins.
Cette méthode pourrait permettre la manipulation guidée par ordinateur de nanomachines pour des applications telles que la détection tactile à l’échelle microscopique, le guidage de la croissance cellulaire et l’assemblage direct de particules colloïdales. Les résultats ont été publiés dans la revue ACS Applied Materials & Interfaces.
Les approches existantes présentent chacune des inconvénients : les techniques basées sur la lumière prennent généralement 60 secondes ou plus par changement de forme, tandis que les méthodes électriques reposent sur des électrodes fixes qui limitent l’endroit où le remodelage peut se produire et la taille du changement.
Pour surmonter ces limites, le premier auteur, Ken Sasaki, et le professeur associé Hisataka Maruyama, ainsi que le professeur Takayuki Hoshino de l’École supérieure d’ingénierie de l’université de Nagoya, ont combiné deux technologies innovantes. La première est un affichage à « cathode virtuelle », dans lequel un faisceau d’électrons est balayé sur une membrane de nitrure de silicium (SiN) le long d’un chemin défini par ordinateur, générant un champ électrique localisé avec une précision nanométrique. Étant donné que le motif est défini par le chemin de balayage plutôt que par une électrode physique, sa forme et sa position peuvent changer instantanément.
La seconde est un film multicouche d’oxyde de graphène lié au pyrène, d’environ 45 nanomètres d’épaisseur et composé d’environ 29 couches empilées, ancré à la membrane SiN. Comme le film porte une charge de surface négative dans l’eau, l’exposition à la région chargée du faisceau induit une répulsion électrostatique contre la couche SiN. Cela fait glisser légèrement les couches empilées, puis décolle la couche inférieure de la membrane, gonflant le film en un dôme.
Observation des changements à l’échelle nanométrique
L’oxyde de graphène ne fluoresce normalement pas, car les feuilles étroitement empilées éteignent mutuellement leur fluorescence. Lorsque le faisceau a été appliqué, la fluorescence du film s’est activée et intensifiée – un signe que les couches se séparaient et que l’extinction était atténuée. Au fur et à mesure que le film se gonflait, l’épaisseur variable de la couche d’eau en dessous produisait des motifs d’interférence ressemblant à des courbes de niveau, permettant à l’équipe de mesurer les changements de hauteur autrement invisibles en temps réel.
Résultats expérimentaux clés
Une bosse en forme de dôme d’environ 1 200 nanomètres de haut et 37 micromètres de diamètre s’est formée en 10 secondes, ce qui est nettement plus rapide que les méthodes optiques et correspond à la vitesse des systèmes électriques les plus rapides rapportés, mais avec un changement de hauteur beaucoup plus important.
La déformation était réversible mais asymétrique : le film gonflait à raison de 100 à 200 nanomètres par seconde mais se résorbait à seulement 40 à 55 nanomètres par seconde une fois le faisceau éteint, de sorte que la récupération complète prenait 20 secondes ou plus. L’équipe attribue cela au fait que la polarisation diélectrique de la membrane SiN s’accumule rapidement sous le faisceau, tandis que la charge de surface résiduelle se dissipe beaucoup plus lentement.
En ajustant le temps d’exposition et le courant du faisceau, et en déplaçant le faisceau pour fusionner les zones déformées adjacentes, les chercheurs ont remodelé les dômes en dômes plus grands ou en dépressions en forme de vallée, et le film a conservé sa structure après une reconfiguration répétée au même endroit.
À titre de preuve de concept, le renflement a poussé une seule bille de polystyrène de 10 micromètres dans l’eau dans une direction contrôlable, avec une force de poussée mécanique estimée à 0,05 piconewton et une répulsion électrostatique distincte de 0,11 piconewton, suggérant – sans encore démontrer – un potentiel pour déplacer des cellules ou alimenter des robots microscopiques.
Perspectives
« Nous pensons que cette technologie facilitera l’intégration entre les nanomachines et les ordinateurs », a déclaré Hoshino. « Les irrégularités à l’échelle nano et micro dans les interfaces sont cruciales pour la friction et l’adhésion entre les objets. Cette technologie d’affichage peut générer ces irrégularités à la demande, ce qui, espérons-le, permettra à terme de contrôler l’adhésion et l’assemblage de cellules et d’objets microscopiques. »
Les chercheurs notent que le contrôle précis de l’endroit où le film se décolle et la démonstration d’un fonctionnement stable dans un électrolyte physiologique plutôt que dans de l’eau pure restent des défis ouverts avant que les cellules vivantes puissent être manipulées de cette manière.
Article : Electric Field-Driven Dynamic Surface Topography of Pyrene-Linked Graphene Oxide Multilayer Film – Journal : ACS Applied Materials & Interfaces – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : Nagoya U.
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