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Construire un nanomanipulateur
Les nanotechnologues promettent beaucoup : de l'électronique forgée à partir de molécules individuelles, des matériaux ultrarésistants et légers, des capsules ultrafines qui transportent des médicaments vers des organes ou des cellules spécifiques du corps. Mais pour bricoler des matériaux à cette échelle, les chercheurs ont besoin d'outils pour sonder et pousser leurs spécimens invisiblement petits. Et les fabricants auront besoin d'équipements pour produire en masse ces futures merveilles. De tels instruments ne sont pas bon marché. Le prix courant d'un nanomanipulateur – une machine ainsi nommée non pas parce qu'elle est elle-même minuscule mais parce qu'elle peut déplacer des objets avec une précision nanométrique – est de plusieurs dizaines de milliers de dollars. Martin Culpepper, professeur d'ingénierie mécanique au MIT et lauréat du TR100, pense qu'il peut produire de meilleurs instruments pour moins de 3 000 $ pièce en utilisant une approche différente de la conception des machines. Les nanomanipulateurs existants, souligne-t-il, ont un tas d'articulations et de liaisons différentes à assembler. Parce que les écarts entre les pièces peuvent être de plusieurs nanomètres de large, ce vieux paradigme, comme il l'appelle, n'est pas pratique pour le mouvement à l'échelle nanométrique. Au lieu de cela, la machine de Culpepper est construite autour d'une pièce qui se plie et se plie très légèrement. Il montre à Dan Cho de TR comment fournir un très petit mouvement sans un prix astronomique.
1. Comme le beurre. Le nanomanipulateur commence dans un atelier d'usinage, où deux des étudiants diplômés de Culpepper, Soohyung Kim et Nathan Landsiedel, découpent des morceaux de métal. Ils placent une plaque de titane sur le lit d'une découpeuse à jet d'eau et transmettent les instructions d'un disque d'ordinateur à la console attenante. Avec une buse mobile qui projette un jet d'eau d'un millimètre de large mêlé de particules de grenat, la machine peut découper des formes compliquées en quelques minutes.
Cette histoire faisait partie de notre numéro d'octobre 2004
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2. Temps flexible. Culpepper tend l'un des morceaux nouvellement coupés. C'est le cœur de sa machine : trois bandes plates se ramifiant symétriquement à partir d'un centre commun et entourées d'un cadre filiforme pour former un vague triangle. Il y a du sens dans cette curieuse géométrie. Le centre, ou la scène, du triangle est l'endroit où une sonde serait fixée dans un instrument complet. Vous tenez ces trois points, dit Culpepper, en désignant trois appareils en forme de rondelle suspendus aux bras pliés entre les coins du triangle, puis vous poussez chacun de ces onglets sur le côté ou de haut en bas. Il indique les extrémités des bandes plates et montre comment pousser deux languettes l'une vers l'autre éloigne le centre des deux. Appuyez sur les trois et le centre se déplace vers le haut. En poussant différentes combinaisons d'onglets, il peut faire glisser ou tordre la scène dans n'importe quelle direction possible. C'est ce que les ingénieurs appellent le mouvement à six axes, quelque chose que les nanomanipulateurs existants ont du mal à réaliser.
3. S'attacher. Culpepper boulonne la pièce flexible sur la base en aluminium de sa machine. Une torsion de l'un des longs boutons dépassant des côtés déplace le luminaire adjacent en forme de rondelle de quelques micromètres. Avec ces boutons, Culpepper peut ajuster la forme du triangle, en l'adaptant à différentes tâches. Nous pouvons lui donner une plage de mouvement plus ou moins grande, ou une résolution plus fine, explique-t-il, afin que les gens n'aient pas à dépenser plusieurs milliers de dollars pour accomplir une seule tâche.
4-5. Chevilles ouvrières. Culpepper attache ensuite la base à trois actionneurs, les composants qui poussent et tirent les languettes flexibles sur commande. Chaque actionneur se compose de cylindres en aluminium enveloppés de fil de cuivre enroulé à la main. À l'intérieur se trouvent de longues pièces en forme de tige coiffées aux extrémités d'aimants puissants. Lorsque le courant traverse les fils, il crée un champ magnétique à l'intérieur de l'actionneur, poussant les aimants et le mécanisme d'un côté ou de l'autre, ou de haut en bas.
6. Attention à l'écart. Sur le dessus de l'appareil, Culpepper répare une pièce volumineuse parsemée de fils. Cette couronne tricornée en aluminium contient six capteurs capacitifs cylindriques qui surveillent avec précision le mouvement de la scène. Culpepper envisage un système de mesure laser plus compact pour les futures versions. Il peut se déplacer sans les capteurs, ajoute-t-il, mais aux niveaux de précision que nous visons, il est essentiel de mesurer.
7. Course silencieuse . Une fois le nanomanipulateur assemblé et câblé, Culpepper se dirige vers l'ordinateur pour le tester. Ce n'est pas grand-chose à voir à l'œil nu, mais alors qu'il tape des commandes sur le clavier, la scène du manipulateur exécute une routine de contorsion à l'échelle nanométrique. Culpepper garde un œil sur les chiffres, guettant les perturbations inattendues. Les vibrations de l'air provoquées par des conversations vocales ordinaires peuvent perturber la position de la scène, bien qu'une conception structurelle soignée ait minimisé cet effet. Les instruments de laboratoire qui intègrent le manipulateur – que Culpepper commencera à concevoir cet automne – seront entièrement protégés de ces tremblements. Les nanotechnologues de coupure de coupons pourraient bientôt avoir des raisons de se réjouir.