Journal de Saclay n°36 - CEA Saclay

Nanosciences1// Des électrons pour voir le nanomondeLa résolution d’un microscope est limitée par la diffraction de lalumière traversant l’échantillon. Ce phénomène est d’autant plusgênant que la longueur de l’onde associée à la lumière est grande.D’où l’idée de substituer aux photons des électrons, à plus courtelongueur d’onde.En microscopie électronique en transmission (MET), l’échantillonest traversé par un flux d’électrons qui sont détectés pour formerl’image. La résolution descend sous le nanomètre.La microscopie électronique à balayage (MEB) exploite, quant àelle, les électrons secondaires qui sont émis par l’échantillon sousl’effet du bombardement électronique, du même côté quela source. La résolution est cette fois de l’ordre du nanomètre.// Qu’est-ce qu’un état quantique ?Bien plus riche qu’une information binaire, un « état quantique »se définit par un ensemble de plusieurs situations possiblessimultanément, chacune d’elles ayant une probabilitéd’occurrence bien précise. Une mesure expérimentale a poureffet de figer l’état quantique dans une situation et une seule.Pour évaluer la probabilité attachée à cette situation,il faut répéter un très grand nombre de fois la mesure.// Des microscopes pour« voir » atomes et moléculesComment « voir » individuellement les atomes ou les moléculesd’un solide ? L’« œil » de ces microscopes est une pointe quiparcourt la surface à analyser en la « survolant » à une hauteurfixe de l’ordre de quelques diamètres atomiques (quelquesdixièmes de nanomètre). Cette distance est réglée par desinteractions à très courte portée entre le dernier atome situé àl’extrémité de la pointe et la surface.Dans le microscope à effet tunnel (STM en anglais),cette interaction, de nature quantique, se manifeste parun faible courant de fuite entre l’atome de la pointe etla surface. Ce courant augmente rapidement quandla pointe s’approche de la surface.Dans le microscope à force atomique (AFM en anglais),des forces analogues à celles qui poussent les atomes à se lierdans une molécule s’exercent entre l’atome de la pointe et lesatomes de la surface. À plus courte distance encore, des forcesrépulsives entre noyaux atomiques prédominent. Soumis àces forces antagonistes, l’atome cherche à se positionnerspontanément à une distance fixe.Dans les deux cas, un ordinateur enregistre soit le courant,soit la force et maintient la pointe à distance constantede la surface. On peut ainsi reconstituer le relief « palpé »par la pointe avec une résolution inférieure au nanomètre,donnant à son utilisateur une vision atome par atomedu matériau étudié.1Au premier plan, microscope à force atomique (capot relevé).À gauche : image MEB d’une « jonction à cassure »qui a permis notamment d’étudier la conduction électriqueà travers un atome unique d’aluminium.À droite : ce dispositif mécanique, permettant d’actionnerla jonction à cassure ci-contre, est refroidi à une températurede 20 mK (soit 0,02°C au-dessus du zéro « absolu »-273,15°C) dans un réfrigérateur « à dilution ».8

COMMENT CONCEVOIRUN NANO-OBJET ?Matériau emblématique des nanosciences, le nanotube de carbone « s’habille » de molécules pour décuplerses pouvoirs.La découverte en 1991 du nanotube de carbone a ouvertun immense champ d’études en nano-électronique.Constitué d’un ou plusieurs feuillets de carbone enrouléssur eux-mêmes, il se présente sous la forme d’un longcylindre. Son diamètre varie de quelques nanomètres pourles monofeuillets à une centaine de nanomètres pour lestions. Il faut commencer par « greffer » sur le nanotube desmolécules organiques, capables à une extrémité des’accrocher aux atomes de carbone du nanotube et à l’autre,de lui conférer les propriétés de solubilité requises. Unetechnique élégante mise au point à Saclay par une équipede la DSV 2 consiste à ne rendre solubles que les nanotubessemi-conducteurs, ce qui permet au passage de les trier.Une fois en solution, les nanotubes pourront être dilués demanière à obtenir le taux de dépôt désiré sur une surface.NanosciencesComprendre de nouvelles lois physiques1multifeuillets. Ses atouts ? Il se prête à une fabricationcollective au point d’être devenu un produit commercial. Ilpeut être semi-conducteur dans une géométrie particulière.Bien plus stable enfin que des molécules isolées, il estfacile à connecter à des électrodes. En 1998, est apparu lepremier transistor 1 réalisé avec des nanotubes de carbone.Explorons maintenant, avec les équipes de Saclay,quelques étapes de la fabrication de nano-objets composésà partir de nanotubes de carbone.« Habillages » moléculaires : une créativitésans limiteLa voie est libre pour « habiller » les nanotubes, c’est-à-diredéposer simplement des molécules à leur surface, lesaccrocher solidement aux atomes de carbone ou encore…les insérer à l’intérieur des cylindres.Cet habillage peut favoriser l’accrochagedu nanotube à une surfacepréalablement préparée, un peu àla manière d’un « velcro ». Cetteastuce a permis à des chercheurs2de la DSM 3 de disposer desnanotubes individuels suivant undessin prédéfini (image 3).Plus généralement, l’association de nanotubes et demolécules dotées de propriétés électroniques ou optiquesparticulières est au cœur des recherches en électroniquemoléculaire. Le nanotube peut servir à détecter un changementd’état de la molécule. Pour l’heure, les dispositifs réalisésen laboratoire à Saclay sur cette thématique visent l’étudeApprêter les nanotubes brutsPremière difficulté : il faut commencer par trier les nanotubesbruts car c’est un mélange d’objets métalliques et semiconducteurs.Deuxième difficulté : les nanotubes sontinsolubles. Ils ne peuvent donc être incorporés tels quels àun solvant, bien pratique pour toutes sortes de manipula-39

ActualitésL’INVISIBLE MATIÈRE NOIRE DÉVOILÉELes méthodes numériques développées au Dapnia 1 ont été la clé du succès pour cartographier la matière noire.L’univers ne contient pas que des étoiles mais égalementune grande quantité de matière sombre. Mystérieuse, lamatière noire de l’univers se dévoile. Une collaborationinternationale à laquelle participe une équipe du centreCEA de Saclay vient de la cartographier. Le serviced’astrophysique du Dapnia s’est chargé du traitement desdonnées collectées par le télescope spatial Hubble 2 aucours de près d’un millier d’heures d’observations. Pourrechercher la matière noire, les astrophysiciens ontobservé ses effets sur la lumière. Cette matière sombredévie en effet les rayons lumineux par la gravité qu’elleengendre. Dès lors, les formes des galaxies lointainesparaissent légèrement distendues, comme si elles étaientobservées à travers un tesson de bouteille (voir encadréci-dessous). Richard Massey, de l’université américaineCaltech, qui travaillait fin février avec les scientifiques deSaclay, souligne que « ces effets restent si ténus et lesobjets si petits que toute la précision de notre cartographierepose sur le traitement des données ». Les méthodesnumériques mises au point au Dapnia ont bien été la clédu succès. Cette cartographie confirme que la matièreordinaire visible se trouve au cœur des concentrations dematière noire, comme le prévoit la théorie de la formationdes grandes structures de l’univers. Pour AlexandreRefrégier, du Dapnia, le problème de la matière sombre estintimement lié à celui de l’énergie noire, deux concepts quine trouvent pour l’instant aucune explication satisfaisanteet qui pourraient remettre en cause toutes nos idées sur laphysique. « Nous comprenons si peu que c’est terriblementexcitant ! » confie d’ailleurs Richard Massey.CR1 Laboratoire de recherche sur les lois fondamentales de l’univers de laDirection des Sciences de la Matière.2 Télescope spatial en orbite depuis 1990, à l’origine de nombreusesdécouvertes, comme celle de planètes gravitant autour d’une étoile autreque le soleil.1 En bleu, la carte de la matière sombre. Elle correspond à cellede la matière visible (rouge) qui se concentre dans les mêmes régions.Zoom// Démasquer la matière noire12L’effet de lentille gravitationnelle résulted’une déformation de l’espace-temps quicourbe la trajectoire des rayons lumineux.Ainsi, la position apparente d’une étoileéloignée est modifiée par la présence d’unastre plus proche situé sur la trajectoire desrayons lumineux de la première. La matièrenoire agit de la même façon, mais à uneéchelle beaucoup plus grande. Dansl’image d’un champ de galaxies éloignées,les formes des galaxies paraissent corrélées :c’est l’effet de lentille gravitationnelle.Les observations multi-couleurs permettentd’évaluer les distances jusqu’à cinq milliardsd’années-lumière soit la moitié de l’âgede l’univers. Dès lors, la positiondes différentes galaxies et les déformationsgravitationnelles observées permettentde retrouver la position du responsable,la matière noire. Près d’un demi-millionde galaxies a été ainsi étudié.

ActualitésRÉCHAUFFEMENT CLIMATIQUEDANS LES COULISSES DU GIECLe Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) achève son quatrième rapportd’évaluation. Plusieurs chercheurs du Laboratoire des sciences du climat et de l’environnement 1 (LSCE, Saclay)y contribuent aux côtés notamment de leurs collègues du Laboratoire de météorologie dynamique, à l’Écolepolytechnique.Un exercice scientifique et humainLe volet scientifique de ce rapport s’appuie notammentsur des travaux auxquels ont participé des spécialistes duLSCE. Les avancées scientifiques obtenues depuis lerapport précédent ont été discutées au cours de rencontresinternationales pour aboutir à un document destiné auxgouvernements. Pierre Friedlingstein, membre du LSCE,en est l’un des co-auteurs : « C’est un exercice passionnant,tant sur le plan scientifique qu’humain. Il s’agit d’unconstat fondé sur l’expertise, toute spéculation est exclue ».s’avère inéluctable et aura notamment pour conséquenceune hausse du niveau des mers. La parution de la versionintégrale du rapport est imminente.1 Le LSCE est une unité mixte de recherche entre le CEA, le CNRS etl’université de Versailles-Saint-Quentin.Une procédure de rédaction exceptionnelleUn premier texte a été rédigé, revu et commenté par desscientifiques du monde entier, via Internet. Après discussionentre « savants », il a été présenté aux expertsgouvernementaux pour aboutir à un contenu agréé partous. Un résumé à l’intention des décideurs a été validéfin janvier 2007 à Paris par 400 experts au cours d’uneultime conférence plénière. « Nous avons débattu pendant2Zoom// Le GIEC en bref1Le GIEC a été créé en 1988 pour« expertiser l’information scientifique,technique et socio-économique quiconcerne le risque de changementclimatique provoqué par l’homme ».Les pays membres se confondent àdeux exceptions près avec ceux desNations Unies. Le GIEC rassemblequelque 2 500 experts du mondeentier, répartis en trois groupesde compétences : travauxscientifiques sur le changementclimatique, auxquels participentles climatologues du LSCE ;impact socio-économiquedu réchauffement ; solutionspour réduire les émissionsde gaz à effet de serre.4 jours jusqu’à des heures indues, pesant chaque motdes 15 pages de texte ! », résume Pierre Friedlingstein.Au total, plus de 30 000 commentaires auront été pris encompte pour élaborer un document agréé par les scientifiqueset approuvé par les gouvernements selon uneprocédure unique en son genre. Le verdict des expertsscientifiques est sévère : le réchauffement de la Terre1Modélisation de la chimie de l’atmosphère au LSCE.2 Dans les décennies à venir, le réchauffement climatique se manifesteranotamment par une extension des régions désertiques en Afrique etdans le sud de l’Europe.Pour en savoir plus :■ http://www.ipcc.ch/ (français disponible)13

PortraitLAURÉAT 2006 DE LA MÉDAILLE FIELDSWENDELIN WERNEROU LA MAGIE DES MATHSInvité en voisin par Bertrand Duplantier, physicien au SPhT 1 , Wendelin Werner, lauréat de la prestigieusemédaille Fields, s’est prêté le 15 mars dernier à une conférence à deux voix avec son hôte. L’occasion d’évoquercomment son parcours de mathématicien a croisé celui des physiciens…Wendelin Werner appartient à la communauté de la théoriedes probabilités, qui compte quelques milliers de membresà travers le monde, mais seule une vingtaine d’entre euxpeut porter un regard critique sur ses travaux. « On asouvent l’impression que les articles ne sont lus parpersonne ! », s’amuse Wendelin Werner. Ses collèguespeuvent certes comprendre ses articles, mais à conditionde « bosser » !Comme un alpiniste choisit une voieD’ailleurs, que signifie bosser pour un chercheur en maths ?Aucun support matériel n’est indispensable, il suffit que lemonde extérieur s’efface un peu. « C’est un peu commedans la vie quand on doit prendre une décision importante.Ou peut-être comme le choix d’une voie en alpinisme ».Jusqu’à l’eurêka ! À ce rare instant magique succède untravail minutieux et rigoureux de rédaction, un exercice destyle essentiel qui peut faire apparaître des failles béantes.« Tant que tout n’est pas bouclé dans le détail, on n’estpas vraiment sûr que ça marche ».qui se passe dans la cuisine est aussi important quece qu’on apporte sur la table ! ». La valeur des travauxrécompensés par la médaille Fields tient sans douteplus au pont établi entre deux disciplines mathématiques,les probabilités et l’analyse complexe, qu’àleurs retombées en physique.Ce qui lui plaît dans son métier ? « Je fais vraiment ceque je veux. Je pourrais arrêter les probabilités etapprendre d’autres maths. Quitte à ne rien publierpendant quatre ans » ! Il revendique cette liberté jusquedans les détails du quotidien : il emprunte rarement deuxfois le même chemin et rechigne à planifier son emploidu temps. Un « besoin d’aléatoire » érigé en mode de vie !Dans la cuisine ou sur la table ?Qu’est-ce qui fait ensuite une grande découverte ? Cen’est pas uniquement le résultat, mais aussi l’élégance desa démonstration et des concepts utilisés. « En maths, ceChercheur et enseignant« Malgré ma naissance en Allemagne de parents allemands,je suis un produit typique de l’éducation à lafrançaise », analyse Wendelin Werner. Son goût pour14

… Portraitles sciences et un parcours scolaire d’excellence leconduisent naturellement à l’Ecole normale supérieure(ENS), puis à une thèse en maths. « Je n’ai pas eu de choixcourageux à faire. J’ai simplement continué ce qui meplaisait et c’était aussi ce qui était le plus valorisé », sesouvient-il. Aujourd’hui, le patron de thèse apprécie ceparticularisme éducatif : les étudiants français les plusbrillants s’orientent plus fréquemment vers les maths quedans les autres pays. Au bout de quelques années derecherche pure au sein du CNRS, il ressent « un manquede connexions sociales » qui l’amène à enseigner à l’universitéd’Orsay Paris-XI et à l’ENS. Les chaires de mathsde l’ENS sont tenues pour dix ans au plus par des chercheurs« prêtés » par d’autres organismes. Une singularitéqui en dit long sur l’attachement des mathématiciens auxvaleurs de convivialité et de liberté…1 SPhT : Service de physique théorique de Saclay.Zoom// La médaille FieldsDécernée tous les quatre ans àquatre chercheurs de moins dequarante ans, la médaille Fields2006 ("Nobel" des mathématiques)a été décernée à WendelinWerner, enseignant-chercheur auLaboratoire de mathématiques àOrsay (Université Paris-Sud 11/CNRS).Au carrefour de la physique etdes mathématiques, ses travauxintroduisent des idées et conceptsnouveaux pour comprendre desphénomènes liés à certainestransitions de phase (par exemplela transition liquide / gaz).Ils sont le fruit d’une collaborationavec Gregory Lawler et OdedSchramm, et portent notammentsur la géométrie du mouvementbrownien en dimension 2.Ils ont, en particulier, permis deconfirmer des prédictions faites àpartir de la théorie conforme deschamps par des physiciens, dontBertrand Duplantier du Service dephysique théorique, à Saclay.Wendelin Werner est le 9 èmelauréat français de la médailleFields et le 3 ème issu duLaboratoire de mathématiquesd’Orsay.À titre de comparaison, les USAoccupent le 1 er rang mondial avec13 récompenses, devant la France(9) et la Russie (5).La médaille 2006 a également étéattribuée, pour d’autres travaux, àAndrei Okounkov, Grigori Perelmanet Terence Tao.NON VOLATILS ET RECYCLABLESDES LIQUIDES IONIQUES POUR LE TRAITEMENTDES DÉCHETS NUCLÉAIRESLes procédés industriels mettent en œuvre des solvantssouvent volatils, inflammables et toxiques… en un mot,polluants et contribuant à l’effet de serre. Depuis quelquesannées, les chimistes développent une alternative intéressante: les liquides ioniques. Ce sont des sels, donc desassemblages d’ions, mais liquides à températureambiante, contrairement au sel de cuisine. Non volatils, ilsprésentent le double avantage environnemental et économiqued’éviter une évaporation génératrice de pollutionatmosphérique et d’être recyclables. À l’heure du développementdurable, une équipe de la Direction de l’énergienucléaire, à Saclay, étudie l’utilisation potentielle desliquides ioniques comme solvants dans le traitement descombustibles nucléaires usés. Ceux-ci comprennent unemajorité d’éléments encore valorisables, l’uranium et leplutonium, et un faible volume de déchets non recyclables.Afin de réduire la radiotoxicité de ces déchets ultimes, desrecherches sont menées sur l’extraction sélective descomposants radioactifs à vie longue en vue de leur transmutation.Cette alchimie moderne les transformerait enéléments à durée de vie plus courte.11 Étude du retraitement des combustibles nucléaires « usés » :les opérations de séparation « poussée » des différentes composantessont effectuées en caisson blindé grâce à des télémanipulateurs(centre CEA de Marcoule).15

PACTE PMEVITAMINER LE TISSU INDUSTRIELLe 10 janvier dernier, 51 PME ont présenté leurs produits et services au centre de Saclay.Donner quelques coups de pouce aux jeunes entreprisespour vitaminer le tissu industriel, tel est le but du pactePME lancé par Oséo-Anvar et le comité Richelieu 1 . Présentparmi les premiers signataires, le CEA traduit son engagementen acte. Ainsi, 51 PME sélectionnées parmi plus d’unecentaine en provenance de toute la France ont pu présenterleurs produits et services à Saclay. L’objectif était demettre en regard les besoins du centre CEA de Saclay etl’offre des PME. Comme l’explique Laurence Henrion,chargée des relations avec les PME, « ce pacte fonctionned’autant mieux ici que les activités de recherche génèrentplus souvent des affaires d’envergure modeste ; cellesjustement que peuvent supporter de jeunes entreprisesqui ne disposent pas encore de l’assise financière desgrands groupes. Mais celles aussi qui parfois peuvent lesentraîner sur les grands marchés internationaux. ».CR1 - voir le site : www.pactepme.orgCONFÉRENCE CYCLOPE JUNIORS MARDI 12 JUINPlongée dans le nanomondePar Jean-Philippe Bourgoin, directeur du programme « Nanosciences » du CEA, Pascal Boulanger, Pascale Chenevier,Fabien Portier, chercheurs au centre CEA de Saclay.Un nanomètre, 1 milliardième de mètre, c’est très, très...trèspetit. Comme un cheveu coupé en 10 000 dans son épaisseur! Pourtant, on parle de nanosciences et de nanotechnologies.Comment fait-on pour observer, comprendre et utiliser la matièreà l’échelle du nanomètre ?Nous plongerons dans le nanomonde en utilisant différentsinstruments, depuis la loupe jusqu’au microscope à forceatomique, en passant par le microscope électronique.À chaque fois que l’Homme a inventé un appareil pour mieux voirla matière, il l’a aussi employé pour mieux la comprendre etmieux l’utiliser. Cela vaut également pour les instruments destinésà voir la matière à l’échelle du nanomètre. L’étrange mondequantique devient, par exemple, accessible à l’expérience.De nouvelles applications apparaissent. Certaines sont étonnantes,comme les surfaces autonettoyantes.La nature a apprivoisé le nanomonde : grâce à leurs nanostructures,les ailes des libellules et les feuilles de lotus ne sont jamais mouillées.Nous montrerons que la nature a apprivoisé le nanomonde : lesfeuilles de lotus sont couvertes de nanostructures de cire et l’eaune peut pas les mouiller.Nous verrons comment fabriquer des nanotubes de carbone. Sixfois plus rigides et moins lourds que l’acier, ils sont utilisés enélectronique.Renseignements pratiques :Accès : ouvert à tous, entrée gratuiteLieu : Institut national des sciences et techniques nucléaires, Saclay (voir plan)Horaire : 20 heuresOrganisation/renseignements : Centre CEA de Saclay, Unité communication et affairespubliquesTél : 01 69 08 52 10Adresse postale : 91191 Gif-sur-Yvette CedexLes Jeudis du CEAJeudi 14 juin « Iter : en route vers l’énergie du futur »,Par Danièle Imbault, adjointe au directeur des sciences de la matière du CEA. Centre CEA de Saclay.Renseignements : café de la FNAC Vélizy, centre commercial Vélizy 2 ; 19h ; Entrée libre.