Le Laboratoire de spectrométrie ionique et moléculaire (LASIM, CNRS / Université ClaudeBernard Lyon 1, dirigé par C.Bordas) regroupe sur le campus de la Doua (Villeurbanne) des activités de recherche dans le domaine de la physique atomique et moléculaire et de l’optique. Il travaille dans le domaine des nanotechnologies qui consistent à concevoir, construire, expérimenter des nano-objets.
Les chercheurs ont publié dans Nano Letters (fin avril) un article sur la mise au point des premiers « nano-diapasons » qui a dévoilé des propriétés acoustiques inattendues.
Un choc sur un objet provoque des vibrations dont l’amplitude, la fréquence et la durée vont dépendre en premier lieu de la forme, de la taille et du matériau qui compose l´objet. Plus l’objet est petit, plus sa fréquence de vibration est élevée, ce qui est utilisé en musique pour fabriquer des instruments aux propriétés différentes.
Les physiciens ont voulu savoir ce que devenaient les propriétés de résonance pour des ces objets nanométriques composé d’un très petit nombre d’atomes. Ils ont synthétisé des nano-sphères de platine constituées de 950 à 75 atomes dont la dimension était comprise entre 3 et 1,3 nm (1 nm = 10-9 m) Ils ont étudié leurs vibrations mécaniques en les soumettant à des impulsions laser ultra courtes. Ce mouvement périodique engendre un changement de volume des nanosphères que les chercheurs mesurent à travers la variation de l’absorption d’un faisceau laser “sonde”. La très faible taille de ces nano-objets conduit à des fréquences extrêmement élevées, qui se situent dans le régime du TeraHertz au lieu du kHz typique des instruments de musique et des vibrations dans le monde macroscopique en général.
Atteindre des fréquences plus élevées
Ces travaux prouvent ainsi que, en réduisant la taille d’un objet métallique, cette gamme de fréquences peut désormais être atteinte. Ceci permet de réaliser des nano-résonateurs mécaniques TeraHertz, des “nano-diapasons”, de fréquence ajustable en jouant sur leur taille ou leur forme. Ces études augmentent les connaissances sur le phénomène de l’élasticité à petite échelle. Alors qu’à l’échelle nanométrique, on constate l’apparition de propriétés nouvelles, l’expérience montre que les nanoparticules se comportent mécaniquement de manière identique à des objets macroscopiques. Leur période de vibration peut être déduite de celle d’objets macroscopiques en utilisant un simple facteur d’échelle. Les mêmes lois de la mécanique des milieux continus et les mêmes paramètres acoustiques (vitesse du son) décrivent aussi bien la vibration d’un objet contenant quelques dizaines d’atomes que celle d’un résonateur mécanique de quelques millimètres. Ces avancées offrent de nombreuses perspectives pour le développement de nouveaux dispositifs de couplage opto-électro-mécaniques, c’est-à-dire entre ondes électromagnétiques et oscillations acoustiques dans le régime THz, ainsi que pour les nanotechnologies en général .
Paolo Maioli, chercheur au LASIM explique pourquoi les lois de l’acoustique restent les mêmes quelle que soit l’échelle. ” Les lois intrinsèques régissant les propriétés élastiques d’un ensemble d’atomes restent inchangées aux échelles macro et nano. C’est la présence de la surface qui pourrait affecter, en réduisant la taille, ces propriétés élastiques. En effet, pour les plus petits nanoparticules que nous avons mesurées (1.3 nm de diamètre, 75 atomes), la moitié des atomes sont à la surface. Leurs interactions avec les atomes environnants est donc modifiée comparée aux atomes loin des surfaces, qui sont complètement entourés par d’autres atomes. C’était avec surprise que nous avons pu constater que, pour ce régime de taille, la présence de la surface n’a pas affecté ces propriétés. Il reste à étudier les effets pour des tailles encore plus petites.”
Le chercheur précise les applications qui pourraient découler de ces innovations.
“Une application possible concerne les “nano-balances”. Pour déterminer la masse (“peser”) de petits particules, on mesure la variation de la fréquence de vibration d’un objet sur lequel les particules sont déposées. Celle-ci est une technique bien utilisée dans le régime micrométrique. Une connaissance précise des vibrations mécaniques à l’échelle nanométrique est alors indispensable pour étendre cette application aux plus petites tailles. Des nano-objets en vibration pourraient être utilisés également dans de “nano-horologes”, pour créer des références d’oscillation à des fréquences TeraHertz”
Lien exacte à la page du journal Nano Letters contenant le papier :
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl100604r
La page web du laboratoire, où le papier est repris :
http://www-lasim.univ-lyon1.fr/
