From London to Morse via Binnig, Quate, and Gerber

Imaginez un monde où vous pourriez voir et toucher les atomes individuels, ces minuscules blocs de construction qui constituent tout ce qui nous entoure. Pendant des décennies, les scientifiques ont utilisé un type spécial de microscope appelé microscope à force atomique pour faire précisément cela. Au lieu d'utiliser la lumière, qui est trop grande pour voir les atomes, cet instrument utilise une aiguille si pointue qu'elle se termine par un seul atome. Tandis que cette aiguille plane au-dessus d'une surface, elle ressent les forces invisibles qui tirent ou poussent entre elle et les atomes situés en dessous. Ces forces vont des tiraillements très faibles et délicats qui maintiennent la poussière ensemble, aux liaisons incroyablement fortes qui maintent les molécules ensemble. La grande question pour les chercheurs a toujours été : cette aiguille est-elle un simple observateur passif, enregistrant silencieusement ce qui est présent, ou est-elle un participant actif qui modifie ce qu'elle voit ?

Une équipe de chercheurs de l'Université de Nottingham et d'autres institutions a passé vingt ans à répondre à cette question. Ils ont entrepris un voyage à travers les différents types de forces qui existent à l'échelle atomique, en partant des plus faibles pour aller vers les plus fortes. Leur travail montre que l'aiguille n'est jamais un simple observateur passif ; elle interagit toujours avec la surface, parfois avec douceur et parfois si fortement qu'elle déplace les atomes. En comprenant exactement comment l'aiguille se comporte, ils ont appris à construire des structures minuscules atome par atome, et ils apprennent désormais aux ordinateurs à les aider à le faire encore mieux.

L'histoire commence avec les forces les plus faibles, celles qui maintiennent les nanoparticules ensemble dans une fine couche sur une surface. Les chercheurs ont observé un film de petites particules d'or, chacune faisant environ deux nanomètres de large, posées sur une surface de silicium. Lorsqu'ils ont balayé cette surface avec leur aiguille atomique, quelque chose de surprenant s'est produit. Les particules, qui étaient initialement dispersées selon un motif désordonné et labyrinthique, ont commencé à se réorganiser en amas plus larges et plus lisses. Cela ne s'est pas produit à cause de la chaleur ou du vieillissement naturel ; c'est parce que l'aiguille elle-même poussait et tirait les particules en balayant d'avant en arrière. L'aiguille agissait comme une source d'énergie locale minuscule, poussant les particules jusqu'à ce qu'elles trouvent un arrangement plus stable. Ce processus, appelé mûrissement, a montré que même le toucher le plus léger du microscope pouvait remodeler une surface, prouvant que l'outil lui-même dictait le changement.

En montant dans l'échelle de force, l'équipe a examiné comment deux molécules individuelles en forme de ballons de football, connues sous le nom de fullerènes, interagissent entre elles. Ils ont réussi à ramasser une de ces molécules et à la fixer à l'extrémité même de leur aiguille. Ensuite, ils ont approché cette pointe d'un autre fullerène posé sur la surface. En mesurant la force entre eux, ils ont cartographié exactement comment les deux molécules s'attirent et se repoussent. Ils ont découvert que la façon dont les molécules sont orientées les unes par rapport aux autres importe énormément. Même si la force globale est attractive, la forme spécifique des molécules signifie que les forces de répulsion entre leurs atomes sont ce qui détermine réellement la manière dont elles se stabilisent ensemble. Cette cartographie détaillée a montré que l'interaction était bien plus complexe qu'une simple attraction ; c'était un équilibre délicat de forces qui dépendait entièrement de la rotation des molécules.

Les chercheurs ont ensuite porté leur attention sur un type courant de connexion chimique appelée liaison hydrogène, qui est cruciale pour maintenir ensemble de nombreuses molécules biologiques. Par le passé, des scientifiques avaient affirmé voir ces liaisons directement dans les images de microscopie sous forme de lignes brillantes reliant les molécules. Cependant, l'équipe de Nottingham a découvert que ces lignes brillantes étaient souvent des illusions. Lorsqu'ils balayaient une surface où les molécules sont maintenues par des liaisons hydrogène, ils voyaient des lignes brillantes exactement là où les liaisons devraient se trouver. Mais lorsqu'ils ont analysé les données avec soin, ils ont réalisé que ces lignes n'étaient pas les liaisons elles-mêmes. Au lieu de cela, elles étaient causées par la pointe flexible du microscope qui se courbait légèrement en se déplaçant sur la surface, créant une image qui ressemblait à une liaison même quand il n'y en avait pas. Cette découverte a constitué une correction majeure pour le domaine, montrant que ce qui ressemble à une liaison chimique dans une image de microscope peut n'être qu'un artefact du mouvement de l'outil lui-même.

Pour aller au-delà de ces illusions, l'équipe s'est attaquée aux forces les plus fortes de toutes : les liaisons covalentes, qui sont les liens rigides qui maintiennent les atomes ensemble dans une structure solide. Ils se sont concentrés sur une surface de silicium où des paires d'atomes, appelées dimères, sont verrouillées ensemble mais peuvent basculer d'avant en arrière comme un interrupteur. En pressant l'aiguille avec juste la bonne quantité de force, ils ont pu faire basculer ces interrupteurs atomiques, changeant l'orientation des atomes sur commande. Cependant, ils ont découvert qu'ils ne pouvaient pas faire basculer un seul atome de manière isolée ; l'action affectait toujours ses voisins. Cela leur a appris que l'environnement local est critique ; les atomes sont si étroitement connectés que changer l'un d'eux modifie inévitablement les autres. Ce niveau de contrôle est essentiel pour construire les futurs dispositifs à l'échelle atomique, mais il nécessite une compréhension profonde de la façon dont l'ensemble du groupe d'atomes réagit à la sonde.

Le but ultime de ce travail est de construire des structures de bas en haut, en plaçant les atomes un par un pour créer de nouveaux matériaux. L'équipe a démontré cela en ramassant des atomes de cuivre individuels sur une surface et en les déposant selon un motif spécifique. Ils ont appris qu'ils ne pouvaient pas simplement pousser les atomes latéralement ; parfois, ils devaient les soulever de la surface et les déposer dans un nouvel endroit. Cette manipulation verticale a permis de construire des amas d'atomes qui ne pouvaient pas être fabriqués en les faisant glisser. Par exemple, ils ont réussi à créer un amas triangulaire serré de trois atomes de cuivre, une forme impossible à former en utilisant uniquement des mouvements latéraux. Cette capacité à déplacer les atomes de haut en bas, ainsi que de côté en côté, a ouvert de nouvelles façons de construire des formes tridimensionnelles complexes au niveau atomique.

Tout au long de ces expériences, les chercheurs ont réalisé que la forme de leur aiguille était la variable la plus importante. Une pointe parfaite, composée d'un seul atome, est un idéal qui existe rarement dans la réalité. Leurs pointes de microscope étaient souvent désordonnées, avec plusieurs atomes dépassant, ce qui changeait leur interaction avec la surface. Parfois, ce désordre aidait à voir des choses qu'une pointe parfaite ne permettait pas de voir, mais d'autres fois, il créait des images confuses. Pour résoudre cela, ils ont commencé à utiliser l'intelligence artificielle pour les aider. Ils ont entraîné des programmes informatiques pour reconnaître la forme de la pointe et décider de la meilleure façon de la déplacer. Ces programmes pouvaient apprendre de milliers de tentatives pour trouver la séquence de mouvements parfaite afin de ramasser et de placer les atomes, automatisant ainsi efficacement le processus de construction avec la matière.

Le travail de cette équipe met en lumière une vérité fondamentale sur l'observation du monde atomique : l'outil que vous utilisez fait partie de l'expérience. Vous ne pouvez pas simplement observer les atomes ; vous interagissez toujours avec eux. Qu'il s'agisse de pousser doucement une particule, de basculer un interrupteur ou de construire une nouvelle structure, le microscope est un participant actif. En comprenant les limites et les capacités de leurs outils, et en utilisant des ordinateurs intelligents pour les guider, ces scientifiques se rapprochent d'un avenir où nous pourrons concevoir et construire des matériaux atome par atome, créant des choses qui n'ont jamais existé auparavant.