Des physiciens de l'Université de Loughborough créent « le plus petit violon du monde » grâce à la nanotechnologie
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Des physiciens de l'Université de Loughborough en Grande-Bretagne ont utilisé une nanotechnologie de pointe pour créer ce qu'ils pensent être « le plus petit violon du monde », suffisamment petit pour tenir dans la largeur d'un cheveu humain.
Le violon est en platine et mesure seulement 35 microns de long et 13 microns de large, un micron représentant un millionième de mètre. À titre de comparaison, un cheveu humain mesure généralement entre 17 et 180 microns de diamètre, et les créatures microscopiques très appréciées des tardigrades mesurent entre 50 et 1 200 microns.
Le violon miniature a été créé dans le cadre d'un projet pilote visant à démontrer les capacités du nouveau système de nanolithographie de l'Université, une suite technologique avancée permettant aux chercheurs de construire et d'étudier des structures à l'échelle nanométrique. Ce système soutiendra divers projets de recherche visant à identifier de nouveaux matériaux et méthodes pour le développement de la prochaine génération d'appareils informatiques.
Le plus petit violon du monde après un cheveu humain. Les images ont été prises avec un microscope numérique Keyence VHX-7000N.
« Même si la création du plus petit violon du monde peut sembler une tâche amusante et ludique, une grande partie de ce que nous avons appris au cours du processus a en fait jeté les bases des recherches que nous entreprenons actuellement », a déclaré le professeur Kelly Morrison , chef du département de physique et expert en physique expérimentale.
Notre système de nanolithographie nous permet de concevoir des expériences qui explorent les matériaux de différentes manières – par la lumière, le magnétisme ou l'électricité – et d'observer leurs réactions. Une fois que nous aurons compris le comportement des matériaux, nous pourrons appliquer ces connaissances au développement de nouvelles technologies, qu'il s'agisse d'améliorer l'efficacité informatique ou de trouver de nouvelles façons de récupérer de l'énergie.
« Mais d’abord, nous devons comprendre la science fondamentale et ce système nous permet de faire exactement cela. »
Pourquoi un violon ?
L'équipe a créé ce violon nanométrique en référence ludique à la célèbre phrase de la culture populaire : "Can you hear the world’s smallest violin playing just for you?" (Entends-tu le plus petit violon du monde jouer juste pour toi ?) , généralement utilisée pour se moquer des plaintes exagérées ou des réactions excessivement dramatiques. Cette phrase est souvent accompagnée d'un geste de la main imitant quelqu'un jouant sur un minuscule violon entre le pouce et l'index.
On pense que l'expression est apparue pour la première fois à la télévision dans les années 1970, popularisée par l'émission M*A*S*H, et est restée une partie de la culture pop grâce à des apparitions dans des émissions plus récentes comme Bob l'éponge , ainsi qu'à une plongée profonde dans son origine par ClassicFM .
Le violon de Loughborough est une image microscopique plutôt qu'un instrument jouable, et même s'il n'a été confirmé par aucun canal officiel comme étant le plus petit violon du monde, une chose est claire : il est très petit.
Comment a-t-il été fabriqué ?
Au cœur du système de nanotechnologie de l'Université de Loughborough – qui occupe un laboratoire entier – se trouve le NanoFrazor, une machine de nano-sculpture de pointe de Heidelberg Instruments . Elle utilise la lithographie par sonde à balayage thermique, une technique où une pointe chauffée, semblable à une aiguille, « écrit » des motifs d'une grande précision à l'échelle nanométrique.
Système de nanolithographie de l'Université de Loughborough, doté d'un NanoFrazor logé dans une boîte à gants scellée pour un fonctionnement sans contamination.
Pour créer le violon, le professeur Morrison, avec le soutien du Dr Naëmi Leo et du technicien de recherche Dr Arthur Coveney, a commencé par recouvrir une petite puce de deux couches d'un matériau gélatineux appelé réserve. Cette puce a ensuite été placée sous le NanoFrazor, qui, grâce à sa pointe chauffée, a gravé le motif du violon dans la couche superficielle.
Après la gravure du motif, la résine a été développée en dissolvant la sous-couche exposée pour laisser apparaître une cavité en forme de violon. Une fine couche de platine a ensuite été déposée sur la puce, puis un dernier rinçage à l'acétone a éliminé le matériau restant, révélant ainsi le violon final.
Le système est entièrement clos grâce à une boîte à gants et à une série de chambres interconnectées, car il est essentiel de protéger les recherches sensibles de l'humidité et de la poussière. Pour maintenir ces conditions contrôlées, la puce a été soigneusement déplacée d'une chambre à l'autre à l'aide de petits bras métalliques actionnés de l'extérieur.
Il faut environ trois heures pour créer un violon en utilisant le système de nanolithographie, bien que la version finale de l'équipe ait pris plusieurs mois pendant lesquels ils ont affiné et testé différentes techniques.
La pièce finie n'est pas plus grande qu'un grain de poussière sur la puce et ne peut être observée en détail qu'à l'aide d'un microscope.
La puce portant l'image du « plus petit violon du monde » est placée sous un microscope. Sa structure complexe n'est visible qu'à fort grossissement.
Comment le système de nanolithographie alimente de nouvelles recherches
Deux projets de recherche de l'Université de Loughborough utilisent déjà le système de nanolithographie. L'un explore des alternatives au stockage magnétique des données, et l'autre étudie comment utiliser la chaleur pour un stockage et un traitement des données plus rapides et plus économes en énergie.
« Je suis vraiment enthousiasmé par le niveau de contrôle et les possibilités que nous avons avec cette configuration », a déclaré le professeur Kelly Morrison. « J'ai hâte de voir ce que je peux accomplir, mais aussi ce que tout le monde peut faire avec le système. »
La professeure Kelly Morrison, à gauche, avec le Dr Naëmi Leo, devant le système de nanolithographie de l'Université de Loughborough. Le Dr Leo tient la puce qui représente « le plus petit violon du monde ».
La création du « plus petit violon du monde » a été documentée dans une nouvelle vidéo, visible ci-dessus ou sur YouTube . Le professeur Morrison a également publié un article de blog sur la création du violon .
De plus amples détails sur les deux projets de recherche utilisant le système de nanolithographie sont fournis ci-dessous.
Exploiter la chaleur pour créer des appareils plus petits et plus efficaces
Le Dr Naëmi Leo , membre du programme Future Leaders de l'UKRI, utilise le système de nanolithographie pour étudier comment une chaleur contrôlée avec précision pourrait soutenir le développement de l'informatique de nouvelle génération.
L'un des principaux défis des technologies numériques actuelles est d'améliorer l'efficacité tout en continuant à réduire la taille des appareils et à accroître la vitesse de traitement. La gestion thermique est un enjeu majeur : les appareils modernes consomment d'importantes quantités d'électricité, dont une grande partie est perdue sous forme de chaleur. Cela entraîne non seulement un gaspillage d'énergie, mais peut également réduire les performances, voire endommager les composants sensibles.
Cependant, la chaleur n'est pas toujours un inconvénient. Dans certaines conditions, notamment lorsqu'elle est inégalement répartie, par exemple lorsqu'un côté d'un appareil est chaud tandis que l'autre reste froid, elle peut engendrer des effets physiques utiles qui peuvent être exploités pour un stockage et un traitement des données plus rapides et plus économes en énergie.
Les recherches du Dr Leo portent sur la création et le contrôle de ces gradients de température afin de concevoir des dispositifs innovants, efficaces et rapides. Elle vise à y parvenir en combinant des matériaux magnétiques et électriques avec des nanoparticules spécialement conçues pour absorber des longueurs d'onde lumineuses spécifiques et convertir cette énergie en chaleur.
Le système de nanolithographie est au cœur de ce travail, permettant la structuration précise et l’intégration de multiples matériaux et fonctionnalités sur un seul appareil – une étape cruciale vers la construction des appareils informatiques du futur.
Pour plus d'informations sur les recherches du Dr Leo, consultez l'article de presse UKRI Fellowship .
Nouveaux matériaux pour le stockage magnétique des données
Le Dr Fasil Dejene utilisera le système de nanolithographie dans un nouveau projet de recherche explorant comment les matériaux quantiques pourraient offrir une alternative plus efficace aux technologies actuelles de stockage de données magnétiques et de calcul.
Un exemple courant de stockage de données magnétiques est le disque dur magnétique traditionnel, qui stocke les données grâce à des bits magnétiques – de minuscules régions de l'ordre du nanomètre sur un disque en rotation. Une tête de lecture magnétique plane juste au-dessus de la surface et lit les données stockées en détectant les variations de flux magnétique entre les bits magnétiques voisins. La sensibilité de la tête de lecture détermine la quantité de données pouvant être stockée dans un espace donné.
À mesure que nous réduisons la taille des dispositifs de mémoire pour augmenter la densité des données et réduire la consommation d'énergie, la stabilité magnétique de chaque bit devient plus difficile à maintenir. Cela rend nécessaire le développement de capteurs performants et rend essentielle l'exploration de nouveaux matériaux capables d'offrir des performances fiables à l'échelle nanométrique.
Les recherches du Dr Dejene examineront si les nouveaux matériaux quantiques pourraient permettre la création de dispositifs de mémoire magnétique plus petits, plus rapides et plus fiables qui auront non seulement une application dans les technologies de stockage de données, mais également dans les nouvelles technologies informatiques inspirées du cerveau.
Le système de nanolithographie lui permettra de fabriquer des prototypes à l'échelle nanométrique d'éléments de détection magnétique avec une grande précision, permettant des tests approfondis et une analyse comparative par rapport aux technologies existantes.
Pour plus d'informations sur les recherches du Dr Dejene, visitez son profil Recherche et Innovation .