MINATEC, campus d'innovation en micro et nanotechnologie.

Eva – Benjamin – Paul – Belqys

Présentation de l’atelier Nanomonde.

A / Domaine d’étude.

L’activité que nous allons présenter est celle qui fut réalisée dans le domaine « Nanomonde », elle concerne les ordres de grandeurs. Pour comprendre ce concept, nous avons observé différents matériaux (allant du simple cheveu à une pomme de terre en décomposition) à l’aide d’un microscope de poche :

La partie arrière le raccorder à un ordinateur portable. À l’aide d’un logicielde photographie, nous pouvions zoomer sur la prise obtenue afin d’en établir un ordre de grandeur. Pour ce faire, il fallait sélectionner deux points sur la photo, et tirer un trait entre les deux. Ainsi, la distance apparaissait.         Le fait d’utiliser un tel logiciel nous a permis de voir que le domaine du petit pouvait parfois atteindre des valeurs tout à fait inattendues ! En effet, si un cheveu mesure une centaine de microns (ordre de grandeur), de nombreux matériaux sont capables de descendre en dessous de cinquante microns sans problème.         Toutefois, ce serait une erreur que de croire que l’utilité de cette expérience s’arrête là. En fait, elle nous permet également d’observer directement la structure même des matériaux étudiés et c’est là que l’étude en nanomonde prend tout son sens : de nombreuses expériences (si ce n’est pas toutes) consistent en finalité à décrire toutes les structures existantes à l’échelle nanométrique (même si, comme nous l’avons vu précédemment, les structures micrométriques sont aussi concernées ; en fait tout ce qui n’est pas macroscopique l’est également).        Le terme de structure peut désigner deux choses, principalement :                     → La matière, auquel cas les objets concernés sont toutes les particules possibles (élémentaires telles que les atomes, ou même les molécules) et leur agencement.

(À noter que l’échelle utilisée est une échelle logarithmique en base 10)

                    → Comme vu précédemment, l’agencement de certains matériaux (feuilles par exemple).

        → Quels sont les éléments mis en jeu dans le domaine du Nanomonde ?

B / Autres expériences réalisées.

Dans le cadre de l’activité Nanomonde, nous avons pu faire / assister à deux autres expériences.

Les couleurs en réalité transparentes : l’effet du papillon :Nous pensons tous que le papillon est coloré, parce que c’est l’impression qu’il donne. Mais ces ailes que l’on perçoit recouvertes de multiples couleurs sont en réalité transparentes ! Ces ailes paraissent colorées à cause de la réflexion de la lumière qui crée des interférences, et lorsqu’il change de milieu, elles changent aussi. Ce qui fait que la journée, il est perçu coloré, et le soir il est perçu noir à cause de l’humidité. De plus, tout le monde dans la pièce ne le voyait pas de la même couleur, certains le voyaient bleu, d’autre vert… cela est dû à l’angle à partir duquel on l’observe, l'épaisseur du milieu est différente.Si l’on change la source de lumière, le papillon est vu noir. On a donc supposé que l’on peut changer la couleur du papillon si l’on change l’indice du milieu. Pour vérifier cela, nous avons réalisé deux test :-nous avons goutteler de l’eau sur le papillon : on a observé que celui-ci était hyper hydrophobe, l’eau ne permettra donc pas de changer sa couleur-nous avons alors testé l’éthanol, et en effet la couleur du papillon a viré au marron.

Les supports de données :

Que ce soit le CD, le DVD ou le blue-Ray, leur fonction est la même : le stockage d’information. La composition de ces 3 support est effectivement la même, ce sont des sandwich d’une feuille de métal très fine qui se froisse très facilement et qui est donc entouré de bouts de plastiques et de peinture. Cependant ces trois supports n’ont pas les mêmes capacitées de stockage, pourquoi ? C’est ce qui nous allons comprendre en observant les 3 à l’aide d’un microscope bien plus puissant que le précédent.     

Microscope utilisé

a) L’analyse du CDGrâce à ce microscope, nous avons pu passer au « peigne fin » toute la composition principale du CD. L’image que nous renvoyait l’ordinateur (encore une fois raccordé au microscope) révélait des sortes de petits « grains » ainsi que des zones d’ombre et de lumière.         En réalité, on étudiait l’agencement très spécifique de cet objet, qui consiste en une série de trous et de non-trous où sont codés des 1 et des 0. Pour les lire un laser est utilisé, et un détecteur détecte s’il y a un trou ou non. En partant du centre du disque c’est ainsi que les informations sont codées puis lues.

(On voit bien les différents « trous » et « non-trous » puisque le relief n’est explicitement pas uniforme)

           

Des petits trous alignés et de même taille sont observables au microscope.(grossissement *733)

    b) L’analyse du Blue-RayLe principe est le même que pour le CD, seulement une petite différence fera que le blue-ray sera plus efficace que le CD en matière de stockage; les trous sont en effet beaucoup plus petits, on peut donc mettre plus de données et la longueur d’onde qui peut être lu est plus large (400-800 nm)

Le fonctionnement d’un Blue-Ray :La structure du Blue-Ray est comme nous l’avons dit avant, répartie en trous et en non-trous, ce qui crée une différence de niveau d’« altitude ». Le principe est de faire tourner le disque, et en même temps, de faire lentement pivoter un laser bleu (donc à faible longueur d’onde λ) sur la surface du disque. Deux choses sont alors à étudier : le choix de λ et l’effet du relief dans la structure même du disque.         Si la lumière est bleue, alors on peut admettre que λ = 480 nm (ce qui est faible dans le domaine du visible). L’avantage d’un tel choix et que l’on peut lire plus

d’informations puisque la « tache » formée sur le disque lors de l’éclairement est plus petite (λ petite également). On peut donc emmagasiner et lire une plus grande quantité d’informations (d’autant que les trous sont également plus petits comme il a déjà été dit précédemment), ce qui explique l’augmentation de la qualité graphique d’un Blue-Ray.         Le relief joue quant à lui un rôle concernant la lecture informatique binaire des informations. En effet, comme nous l’avons dit avant, le disque tourne, et même si le laser fait de même, sa vitesse relative est très faible : il va donc passer dans les différents trous, non-trous, et ainsi subir les changements de relief. Ces changements sont déterminants : analysée par le lecteur, la réfraction du laser va donner une information binaire à traduire.

Données informatiques en fonction du relief.

Différence de relief ? Chiffre binaire associé

Non 0

Oui 1

Ainsi, la succession de changements va donner une suite binaire à traduire informatiquement.         Si ce fonctionnement a été vu de manière théorique en cours, l’expérience à Minatec a justement permis de le confirmer expérimentalement.

  c) Le DVDEncore une fois, le principe est le même que précédemment. Les trous sont plus petits que ceux du CD, on peut donc insérer plus de données. On voit donc plus difficilement les trous, le microscope atteint ses limites.  

 C/ Vers l’infiniment petit...      a) Le microscope atomiqueNous avons toujours voulu voir des choses de plus en plus petites pour améliorer la médecine, la technologie etc. Des appareils permettants alors de se rapprocher de l’infiniment petits ont été inventés. Le microscope à force atomique est l’un d’entre eux.Celui-ci permet l’exploitation des forces quand deux objets sont très proches.Son principe consistait à passer divers objets sous un énorme engin (qu’était le microscope) qui, raccordé à un nouvel ordinateur, nous permettait de visualiser la topographie de l’objet.

Afin de mieux comprendre, nous avons également pu voir un modèle atomique classique d’un simple bâton ci dessus.

 La structure de ce-dernier est en fait en parfaite cohérence avec sa forme macroscopique : ses atomes s’escaladent les uns les autres jusqu’à former le sommet du cône, ce qui, à notre échelle, correspond au bout ; à la pointe du bâton.

b) Les interactions en nanomonde :Il est coutume d’admettre l’existence de 4 forces / interactions fondamentales :         → Le poids P. Calculé grâce à la formule P = m*g (m, en kg est la masse et g, en m. est l’accélération de la gravité), il n’entre pas vraiment en ligne de compte ici puisqu’il fait intervenir la masse. Autant dire qu’avec les poids plumes que sont les constituants de la matière, il devient négligeable (sans disparaître, toutefois).         → La force électromagnétique que l’on notera ici F. Sa formule (F = q*E avec q, en C est la valeur de la charge élémentaire de la particule étudiée et E, en kg.m.. est la valeur du champ électrique dans lequel baigne ladite particule) faisant intervenir la valeur q, elle décrit le comportement des charges électriques et des particules (chargées uniquement, celles étant neutres n’y étant évidemment pas soumises). Cette interaction est donc parfaite dans l’étude nanométrique.

        → Les deux interactions nucléaires (faible et forte). Elles peuvent rester pertinentes dans le cadre du Nanomonde, mais ne seront cependant pas utilisées ici. Conclusion : nous n’étudierons ici que la force électromagnétique, F.

c) L’interaction électromagnétique :La deuxième expérience fut au cœur même de notre « apprentissage théorique » à Minatec. Non seulement nous avons revu certains phénomènes se produisant à l’échelle nanométrique (tels que : la force de Van der Waals, voire même les liaisons hydrogène), mais nous avons également appris des choses assez insolites.         En effet, nous avons découvert que les électrons avaient la capacité de se comporter comme de la lumière. D’un certain point de vue, cela rejoint totalement la nomination d’« interaction électromagnétique », adjectif qualifiant également les ondes lumineuses par exemple.

Cette nomination met donc en lien que des particules chargées telles que les électrons se comportent à la fois comme des éléments électriques, mais aussi comme de la lumière.

Plus encore, d’autres particules ont un étrange comportement : les photons. « Représentants » directs de la lumière, ils sont pourtant aussi capables de se comporter comme des ondes électromagnétiques : ceci nous permet de faire définitivement un rapprochement particulaire entre électrons et photons.

Cela implique une autre conséquence. Si les électrons peuvent se comporter

comme des photons, pouvons-nous leur associer une longueur d’onde « λélectrons » ? Ce ne serait pas impertinent, d’autant que plus la vitesse d’un électron diminue, plus son énergie semble augmenter.         Or :

λélectron =   célectron / félectron

Donc plus la vitesse célectrons diminue, plus la longueur d’onde  diminue puisque

célectrons est placée au dénominateur. De plus, l’énergie d’un photon  est donnée par la formule suivante :

Ephoton = h*fphoton

Ephoton = h*(cphoton / λphoton)

(Où h est la constante de Planck ; h = 6,63.10^-34  J/s)

Or, nous avons précédemment dit qu’un électron pouvait se comporter comme un photon, donc en transposant la formule, on obtient finalement :

Eélectron = h*(célectron / λélectron)

Conclusion : λélectron est au dénominateur, donc elle est inversement proportionnelle

à Eélectron, ce qui revient à dire que si  λélectron diminue (comme dans notre cas), alors

Eélectron augmente, comme il avait été prédit.