Alors que jusqu’ici, les techniques conventionnelles comme la thermographie infrarouge ne permettent pas de descendre sous le micromètre, des chercheurs viennent de mettre au point un revêtement moléculaire capable de mesurer la température de fonctionnement de composants électroniques à l’échelle nanométrique. Ce résultat, publié dans la revue Nature communications, est le fruit d’une collaboration entre deux laboratoires du CNRS à Toulouse : celui de chimie de coordination (LCC) et celui d’analyse et d’architecture des systèmes (LAAS).
Cette nouvelle technologie utilise la bistabilité d’une famille de composés chimiques appelée molécules à transition de spin, c’est-à-dire leur capacité à passer d’un état à l’autre facilement. Cette commutation est réalisée à partir d’un stimulus extérieur comme un changement de température mais aussi d’une impulsion électrique, un champ magnétique ou une pression et peut être réversible. « Nous avons commencé à étudier ces molécules vers la fin des années 80, explique Azzedine Bousseksou, chercheur au CNRS. Au début, le changement d’état se faisait uniquement dans un milieu cryogénique, à très basses températures. En 1993, le phénomène pouvait se faire à température ambiante et à partir de 2007, nous avons développé les toutes premières couches minces nanométriques qui présentent la commutation à température ambiante. »
Cartographier le changement de couleur du revêtement moléculaire
Environ 200 à 300 molécules à transition de spin ont été synthétisées jusqu’ici à travers le monde. Pour la thermométrie, les chercheurs utilisent une seule d’entre elles, à savoir un borate de la famille du triazol dont la formule chimique est la suivante : [Fe (HB (1,2,4-triazol-1-yl) 3 ) 2]. Cette molécule possède une propriété particulière et est capable de changer de couleur en fonction de la température extérieure. À l’échelle macroscopique, elle peut en effet passer du blanc vers le rose très rapidement et de façon réversible. Les chercheurs déposent donc des couches minces de cette molécule sur des composants électroniques comme des puces ou des mémoires. Lorsque ces derniers chauffent de manière anormale, les molécules à transition de spin, présentes à la surface, changent de couleur. Les scientifiques réalisent alors une cartographie optique à l’aide d’un spectroscope pour observer ce changement. Leur travail de recherche a consisté à construire une courbe de calibration pour faire la corrélation entre un changement de couleur de la couche mince déposée sur le support avec une valeur de la température, et ceci à l’échelle nanométrique. « Les industriels du secteur de la microélectronique rencontrent de gros problèmes de surchauffe de leurs composants, ajoute le chercheur. Grâce à notre technologie, nous les aidons à mieux comprendre le fonctionnement thermique de leurs composants et à identifier à quel endroit la température s’élève et ceci, à l’échelle du nanomètre. Ils peuvent ainsi sélectionner les meilleurs éléments et ainsi concevoir des composants stables et fiables. »
L’atout majeur de la molécule à transition de spin utilisée est sa résilience au changement de température. Elle est en effet capable de subir des millions de cycles thermiques sans se fatiguer et de manière entièrement réversible. « Quel que soit le nombre de cycles, nous avons remarqué que le chemin thermique emprunté ne change pas, analyse Azzedine Bousseksou. Il n’y a donc aucune erreur de correspondance entre un changement de couleur et la variation de température. D’où la naissance du nanothermomètre. »
Autre avantage : le procédé est intégrable sur n’importe quel système souple, qu’il soit solide, mais aussi en solution. Il présente donc un fort intérêt dans le domaine biologique. « Nous pouvons par exemple aider les biologistes à mieux comprendre le mécanisme de repliement des protéines et surtout à identifier précisément à quelle température la protéine se replie de manière efficace. »
Des muscles artificiels intégrables dans un corps humain
Cette nouvelle technologie a fait l’objet d’un brevet et le groupe eV Technologies a déjà acheté une licence. Ce travail de recherche va se poursuivre, notamment en direction d’applications dans le domaine de la micro-électronique et plus tard dans le domaine biologique. L’équipe de recherche « Matériaux Moléculaires Commutables » du LCC-CNRS souhaite mettre à profit une autre propriété des molécules à transition de spin qui, en plus de changer de couleur, sont capables de changer de volume. Sous l’effet d’une variation de température par exemple, ces molécules peuvent en effet gonfler puis se dégonfler, faisant alors apparaître un mode de respiration de la molécule. Ce mouvement de respiration trouve son intérêt dans le développement d’actionneurs micrométriques et de muscles artificiels. Le secteur de la robotique est en effet à la recherche de matériaux actifs robustes capables de mimer cette fonction afin de fabriquer des exosquelettes. A plus long terme, il est aussi envisagé de réparer des déformations musculaires directement dans le corps d’un être humain à l’aide de muscles artificiels intégrables conçus avec des molécules à transition de spin.
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