Das kleinste Autorennen der Welt

NanoCar Race : la plus petite course automobile du monde

Texte : Raffael Fritz
Illustration : Max Kulich

La NanoCar Race de Toulouse est la plus petite course automobile du monde. Elle opposera des voitures constituées de molécules. 

Un circuit plus petit qu’une bactérie et des voitures faites de molécules : bienvenue à la NanoCar Race ! Au printemps 2017, on saura laquelle des six équipes venues du monde entier a conçu la nano-voiture la plus rapide.

Nous nous sommes entretenus avec les chefs des équipes autrichienne et suisse pour éclaircir quelques points :

  • À quoi ressemblera la course ?
  • Comment fait-on pour voir les voitures ?
  • En quoi consiste l’entraînement ?
  • Pourquoi organiser une telle course ?
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THE RED BULLETIN : Comment se faire une représentation aussi fidèle que possible de la taille d’une NanoCar ?

LEONHARD GRILL : Un cheveu humain fait environ 100 micromètres d’épaisseur. Une NanoCar est environ 100 000 fois plus petite. On évolue ici à l’échelle où les atomes s’alignent les uns aux autres. Ce n’est pas évident à imaginer, mais on peut établir une comparaison : le rapport de taille entre un atome et une balle de ping-pong correspond à peu près à celui entre une balle de ping-pong et la Terre. On ne peut pas observer de si petits objets avec un microscope optique, la longueur d’onde de la lumière visible est trop grande.

Leonhard Grill

Leonhard Grill, physicien à l’université de Graz et chef de la Nanoprix Team, l’équipe américano-autrichienne.

© Universität Graz


Alors comment fait-on pour voir les NanoCars ?

Pour la NanoCar Race, nous utilisons un microscope « à effet tunnel ». Il peut scanner une surface grâce à une aiguille très fine dont la pointe fait la taille d’un atome. On obtient ainsi une résolution à l’échelle subatomique. Mais avec le courant électrique qui la traverse, la pointe de l’aiguille peut aussi déclencher différents processus dans la molécule – comme faire avancer une NanoCar par exemple. Le microscope permet donc non seulement d’observer les voitures, mais aussi de les alimenter en énergie.

Avec quel genre de voiture votre équipe va participer à la NanoCar Race ?

Nous conservons au réfrigérateur toute une série de molécules qui nous sont envoyées par James Tour, de l’université Rice de Houston, et nous essayons de les faire bouger de plein de manières différentes. En effet, certaines sont équipées d’un moteur – un élément que l’on peut déplacer de manière ciblée avec des impulsions électriques afin d’assurer l’alimentation. D’autres sont dotées de ce que l’on appelle des groupes polaires. Cela signifie qu’elles possèdent des charges réparties de façon asymétrique et que c’est la molécule dans son ensemble qui bouge si elle est soumise à un courant électrique. C’est à cette famille de molécules qu’appartient la Dipolar Racer. Mon collègue, Grant Simpson, a déjà fait plusieurs essais concluants avec elle et nous envisageons actuellement de l’utiliser pour la NanoCar Race.

Quels sont les atouts de la Dipolar Racer par rapport aux autres NanoCars ?

Il faudra attendre la course pour le savoir exactement – mais nous espérons qu’elle sera très rapide ! À ce sujet, il faut bien comprendre que la vitesse n’est pas uniquement une question de mouvement moléculaire. De nombreuses étapes intermédiaires sont nécessaires et elles doivent se dérouler le plus efficacement possible. Dans mon groupe de travail, Grant Simpson est en train d’optimiser les processus – et, outre la NanoCar Race, ce qui nous intéresse tout particulièrement, ce sont les processus physiques et chimiques qui ont lieu à l’intérieur de la molécule. Nous faisons de la recherche fondamentale et nous voulons comprendre ce qui se passe exactement.

Donc c’est dans les stands que se décidera le résultat de la course ?

Je dirais plutôt les choses ainsi : le déplacement du point A au point B aura beau être super rapide, si au point B, on met je ne sais combien de temps à s’orienter correctement vers la prochaine étape, cela n’aura servi à rien. Et puis, il faut bien se dire que pendant qu’il déplace la voiture avec le microscope, le pilote est pratiquement aveugle. En fait, après chaque impulsion électrique, il doit d’abord remettre la main dessus, si l’on peut dire. Donc un autre élément décisif, c’est la vitesse à laquelle le microscope arrivera à représenter la voiture. Il faut prendre tous ces éléments en compte pour espérer remporter la course – et avec notre molécule, je pense qu’on a de bonnes chances.

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THE RED BULLETIN : À quoi ressemble la voiture avec laquelle l’équipe suisse va participer à la NanoCar Race ?

RÉMY PAWLAK : Il y a environ trois ans, Christian Joachim, du CEMES de Toulouse, a eu l’idée d’organiser cette course – et à l’époque, il fallait concevoir une véritable voiture de la taille d’une molécule, avec des roues, un châssis et un moteur. Mais ce n’est que plus tard que nous avons intégré la compétition, nous avons donc pensé à une autre solution : notre Swiss Nano Dragster n’a pas de roues, elle se déplace comme un aéroglisseur – c’est-à-dire qu’elle glisse sur la piste quasiment sans friction.

Rémy Pawlak mit Co-Pilot Tobias Meier

Rémy Pawlak (à g.), chef d’équipe et pilote de l’équipe suisse, avec son copilote, Tobias Meier.

© Universität Basel


Comment prépare-t-on une NanoCar pour la course ?

Tout d’abord, quelques milligrammes d’une fine poudre sont synthétisés dans notre labo par nos chimistes, sous la direction du professeur Catherine Housecroft. Cette poudre, c’est plusieurs milliards de nano-voitures. On la place ensuite dans un environnement ultra pur et ultra vide, encore plus vide que l’espace autour de la Terre. Ensuite, on fait chauffer la poudre très lentement, jusqu’à ce qu’elle s’évapore et qu’elle se condense sur une surface en or pur, la piste. Parmi les milliards de NanoCars du départ, on en rassemble une cinquantaine sur une petite partie de la piste. Ensuite, on choisit celle qui fera la course – et c’est parti !

Et comment se passe l’entraînement pour la NanoCar Race ?

Ici, à Bâle, dans le groupe du professeur Ernst Mayer, nous avons l’habitude de travailler avec des microscopes à force atomique et à effet tunnel. Nous avons notre propre microscope ici, et nous nous en servons pour nous entraîner en vue de la NanoCar Race. En pratique, on commence par envoyer une impulsion très légère dans la voiture pour la faire avancer dans la direction souhaitée – et puis, on fait une photo pour savoir exactement où elle est allée et dans quelle direction elle s’est arrêtée. Notre record de vitesse actuel est de 20 nanomètres par heure. Ce n’est pas moi qui le détiens, mais mon copilote, Tobias Meier. 

Quand doit se dérouler la NanoCar Race ?

Au départ, elle aurait dû avoir lieu en octobre 2016. Mais quelques-unes des équipes rencontraient des problèmes techniques et voulaient plus temps pour se préparer. Il faut bien comprendre que cela représente énormément de travail de concevoir une NanoCar et d’apprendre à la piloter. D’un commun accord, les équipes ont alors décidé de reporter la course au printemps 2017. Le départ sera donc donné au plus tard en juin prochain.

Et pourquoi tous ces efforts, au juste ?

Pour tout un tas de raisons. Avant tout, cela nous permet de faire connaître notre domaine de recherche au grand public. Car les machines moléculaires ont un énorme potentiel : les puces de nos ordinateurs, par exemple, pourraient bien être remplacées par des molécules à l’avenir. Pour y parvenir, nous devons d‘abord mieux comprendre comment les molécules se comportent et comment leur faire faire ce qu’on attend d’elles. Mais notre champ d’étude a aussi des applications en biologie : toutes les molécules de notre corps sont aussi des espèces de petites machines – et si nous comprenons comment une NanoCar se comporte, cela nous apprendra peut-être aussi quelque chose sur les machines en nous.

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12 2016 THE RED BULLETIN 

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