Cervin miniature

Des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer PSI ont fabriqué des maquettes minuscules et très détaillées du Cervin. Chacune d’elles mesure seulement sept centièmes de millimètre environ: c’est moins que l’épaisseur d’une feuille de papier. Les maquettes sont si détaillée qu’elles reproduisent clairement les différentes structures du Cervin. Comme son sommet: sur la maquette, il affiche un diamètre de 100 nanomètres, soit de la taille d’un virus.

La fabrication de ces maquettes n’est pas juste un jeu: les surfaces pourvues de milliers de minuscules objets 3D de ce genre présentent souvent des propriétés susceptibles d’être utilisées de toutes sortes de manières. Ces propriétés, on peut déjà les observer dans la nature, explique Helmut Schift, responsable du projet de recherche au PSI. Par exemple chez certaines espèces de serpents qui se déplacent sur le sable sans que leur peau s’use notablement. La peau de ces serpents est en effet pourvue d’écailles et de pointes de quelques millièmes de millimètres, qui réduisent largement le frottement dans le sens de leur déplacement. Il serait envisageable de pourvoir les composants mécaniques fortement mis à contribution par frottement d’une surface présentant le même genre de structure, poursuit le chercheur. Cela réduirait nettement l’usure de ces composants. Les mini-Cervins ont été réalisés pour montrer qu’il est possible de fabriquer précisément des structures aussi petites, de manière ciblée et reproductible.

Impression 3D à l’échelle nano

Pour fabriquer leur maquette du Cervin, les chercheurs ont utilisé une impression 3D particulièrement détaillée, connue sous le nom de photolithographie 3D (les spécialistes parlent de lithographie à deux photons). Nous fabriquons les structures à partir d’un matériau photosensible, explique Robert Kirchner, scientifique au PSI. Là où il est exposé de manière particulièrement intense à la lumière, ce matériau liquide à la base se solidifie et le matériau restant peut être ensuite effacé par lavage. Pour l’exposition, nous utilisons un laser particulier, dont le rayon n’est suffisamment intense pour modifier le matériau qu’au niveau du foyer d’une lentille. Nous déplaçons ce foyer à travers le matériau. Cela nous permet de décider, pour chaque point d’un nanomètre, si au final le matériau est éliminé par lavage ou s’il reste. Cette manière de procéder permet de fabriquer des objets complexes à volonté, avec des détails de l’ordre du nanomètre.

Ce procédé laser en série est très compliqué, mais n’a besoin d’être appliqué qu’une seule fois. Pour fabriquer les copies de la structure 3D en question – par exemple du Cervin – on produit un moule à partir de cette forme d’origine. Il est dès lors possible de mouler les structures en grand nombre et donc de les reproduire en grande série.

Texte: Institut Paul Scherrer/Paul Piwnicki

À propos du PSI

L'Institut Paul Scherrer PSI développe, construit et exploite des grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté scientifique nationale et internationale. Les domaines de recherche de l'institut sont centrés sur la matière et les matériaux, l'énergie et l'environnement ainsi que la santé humaine. La formation des générations futures est un souci central du PSI. Pour cette raison, environ un quart de nos collaborateurs sont des postdocs, des doctorants ou des apprentis. Au total, le PSI emploie 1900 personnes, étant ainsi le plus grand institut de recherche de Suisse. Le budget annuel est d'environ CHF 380 millions.

(Mise à jour : Avril 2015)