Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales (UPR 8011)


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Nanocar Race

La 1ère course internationale de molécules-voitures à Toulouse (France), 2016

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Règles du Grand Prix

Molécule-véhicules (Les équipes)

Organisation de la course

Calendrier

Références

Remerciements

 


NanoCar Race, des molécules sur la ligne de départ par CNRS

C’est une étrange course automobile, réunissant des équipes de différents pays, qui se prépare dans notre laboratoire. Cet automne, des véhicules composés d’une centaine d’atomes vont en effet s’affronter lors de la NanoCar Race. Dans cette vidéo proposée en partenariat CNRS Le Journal et LeMonde.fr, découvrez les enjeux de cette course et la manière dont s’entraînent les chercheurs.

 

Règles du Grand Prix

1) Règles générales à respecter pour la course

La molécule-voiture d’une équipe enregistrée aura à sa disposition une piste préparée sur une petite portion de la face (111) d’une même surface d’or cristallin pour toutes les équipes. Cette surface est maintenue à une très basse température : 5 Kelvin (- 268 ° C) (LT) sous ultra-vide (10-8 Pa ou 10-10 mbar ou 10-10 Torr) (UHV) pendant au moins la durée de la compétition. La course elle-même ne durera pas plus de 2 jours et 1 nuit, y compris le temps nécessaire pour construire atome par atome les mêmes pistes pour chaque concurrent. La construction et l’imagerie d’une piste donnée sont obtenues par des microscopes à effet tunnel fonctionnant à très basse température (LT- UHV - STM). Les pistes seront certifiées par un ou plusieurs Commissaires de piste indépendants et ceci avant le début de la course en elle-même.

Sur cette surface de l’or et pour chaque concurrent, la piste sera construite atome par atome en utilisant quelques atomes d’or adsorbées sur la surface d’or. Une molécule-voiture doit circuler autour de ces ad-atomes d’or, de la ligne de départ à la ligne d’arrivée, chaque ligne étant matérialisée par deux atomes d’or. L’espacement entre ces deux atomes d’or est inférieur à 4 nm. Une piste d’au moins 5 atomes d’or de long doit être construite par équipe sur cette même surface d’or. Les atomes d’or de la piste devront être espacés les uns des autres d’au moins 3 nm.

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La piste préliminaire construite atome par atome par C. Manzano et We Hyo Soe (A*Star,IMRE) à Singapour, avec ses 2 ad-atomes d’or pour la ligne de départ, les 5 ad-atomes d’or pour la piste et les 2 ad-atomes d’or de la ligne d’arrivée.

Quatre molécules-voitures différentes pourront concourir en même temps et en parallèle sur la même surface de l’or en utilisant le LT- Nanoprobe conçu dans ce but par la société ScientaOmicron pour le Pico-Lab du CEMES-CNRS à Toulouse. Si pour cette première édition de la course molécule-voitures, plus de 4 équipes s’incrivent avant le mois de mars 2016, des éliminatoires seront organisés avec un tirage au sort. L’équipe vainqueur de cette première course internationale de molécule-voitures sera déclarée par le Directeur de course. Ce sera la molécule-voiture qui passera la première entre les deux ad-atomes d’or de sa ligne d’arrivée. Si avant le départ de la course, un concurrent a besoin de trop de temps pour construire sa propre piste, il pourra demander l’aide des autres équipes pour cette première édition de la course. A décider par les Commissaires piste et si cette construction s’avère encore trop longue, les commissaires de piste pourront disqualifier cette équipe.

Les pointes STM en tungstène nécessaire à la construction des pistes et à la conduite des molécule-voitures seront fabriquées par les équipes elles-mêmes dans une chambre de préparation spécifique mis en place au Pico-Lab et ce avant le début de la course. Il y a 28 positions de stockage disponibles sur le carrousel autour du LT-Nanoprobe. Mais seul un équipement pour remodeler les pointes STM sera accessible en ligne. Toutes les pointes nécessaires à la compétition devront donc être stockées sur ce carrousel UHV avant le début de la compétition. Seulement 1 pointe peut être chargée à la fois sur le LT-nanoprobe.

Pour cette première édition, les molécule-véhicules seront également acceptées. Mais il est préférable d’arriver avec une molécule-véhicule à 4 roues, un châssis et un moteur c’est à dire une molécule-voiture avec un mode de propulsion inélastique à effet tunnel électronique. Les molécules-véhicules acceptées pour la course doivent présenter une structure chimique d’une centaine d’atomes. Si aucune molécule-véhicule ou juste une parmi celles inscrites est en mesure d’être entraînée par un effet tunnel inélastiques électroniques (et donc sans utiliser pendant la course les interactions mécaniques entre la molécule-voiture et la pointe d’un STM), les organisateurs se réserve le droit pour cette première édition d’abaisser ses attentes sur le mode de propulsion et tolérer des molécule-véhicules conduites par un mode de poussée mécanique.

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Pour le dépôt molécule-voitures sur les différentes pistes, la séquence d’évaporation pour les 4 équipes ayant le droit de concourir en même temps sera déterminée après la première série d’entrainements. Ensuite, les Commissaires de piste évalueront la gamme de température requise à la vue de la diversité des poids moléculaire des molécule-voitures déjà enregistrées.

Le 27 Novembre 2015, une réunion à huis clos sera consacrée en partie à évaluer cette gamme de température. Une fois les 4 différentes molécules-voitures évaporées sur la même surface d’or, le conducteur d’une équipe donnée aura bien sûr la possibilité d’imager sur ou près de sa piste les molécule-voitures de tous les autres concurrents. Le rôle des Commissaires de piste est ici essentiel : ils doivent veiller à ce qu’un conducteur donné soit le véritable conducteur de la molécule-voiture de sa propre équipe. Chaque équipe est responsable de la sélection et de la pré-formation de son pilote sur son LT-UHV-STM. Les organisateurs ont le droit de refuser le pilote proposé par une équipe

Organisée par C. Joachim et G. Rapenne, la première course est prévue pour Octobre 2016. Le Commissaire de piste désigné pour cette première édition de la course de molécule-voitures est le Pr. Emérite JP Launay de l’Université P. Sabatier de Toulouse.

 

2) S’enregistrer pour la course de molécule-voitures

Pour s’inscrire à la première édition de la course de molécule-voitures à Toulouse, une équipe doit fournir aux organisateurs bien avant mars 2016 :

  • Les détails de son institution (universitaire, public, privé)
  • La conception de la molécule - véhicule, y compris la livraison du fichier de coordonnées xyz de la structure atomique de la molécule-voiture
  • Le mode de propulsion, de préférence par effet tunnel effets inélastiques
  • Les conditions d’évaporation des molécule-véhicules
  • Si possible une première image UHV-STM de la molécule-véhicule choisie
  • Le nom et la nationalité du pilote qui conduira sur le LT-UHV-4 STM à Pico-Lab

Ces informations seront utilisées par les organisateurs pour la sélection des équipes et l’organisation de sessions d’entrainement pour les équipes acceptées de manière à optimiser leur conception de leur molécule-voiture et d’apprendre les conditions de conduite sur l’instrument LT-UHV-4 STM à Toulouse. Ensuite, les organisateurs enverront une lettre d’invitation officielle à chaque équipe choisie pour qu’elles aient le droit de réaliser des expériences sur l’instrument LT-UHV-4 STM (LT-Nanoprobe) de Toulouse avec leur propre pilote en commençant par des séances d’entrainements. Un calendrier détaillé de ces entrainements sera déterminé à partir Septembre à 2015.

 

3) Modes de propulsion acceptés

Une Molécule-voiture [1] peut normalement être propulsée à l’aide des électrons tunnel la traversant [2,3] mais également par la lumière [4] ou par des effets nano-magnétique [5]. La manipulation mécanique d’une molécule-voiture [6,7] est seulement autorisée pour atteindre les 2 ad- atomes d’or de la ligne de départ. Mais cela ne devrait pas être normalement le mode de propulsion pendant la course elle-même. 

Si une seule des molécule-véhicules acceptée à concourir est apte à être conduite par effet tunnel inélastique donc sans aucun interactions mécaniques entre la molécule-voiture et la pointe du STM, les organisateurs s’arrogent le droit pour cette première édition de la course de modérer la règles et toléreront des molécules-véhicules conduites par un mode de poussée mécanique par la pointe d’un STM d’un des 4 LT-UHV-STM du LT-Nanoprobe


move in atomline

Un bel exemple d’une molécule-véhicule équipée de 6 pattes conduite autour d’une piste hemi-circulaire construite atome par atome en utilisant 14 ad-atomes d’or sur une surface d’or. Les pilotes Carlos Manzano et We-Hyo Soe de A* STAR IMRE à Singapour ont été les premiers [8] à pratiquer une telle conduite en utilisant une pointe STM sur un microscope à effet tunnel basse température (LT-UHV-STM). Il s’agit ici d’une conduite en mode de poussée mécanique.

 

Molécules-véhicules (Les équipes)

Pour cette première édition de la course, les molécules-véhicules acceptées doivent avoir une structure chimique comprenant au moins une centaine d’atomes. Il est également préférable de proposer une molécule-véhicule avec 4 roues, un châssis et un moteur moléculaire mais cela ne doit pas être une obligation à ce stade. Les molécules-voitures suivantes ont été proposées, acceptées par le Directeur de course et l’équipe correspondante enregistrée :

NanoMobile club CEMES-CNRS (France)
Nanocar Team Rice (USA) & Graz (Austria) Universities
Nano-windmill Compagny Dresden Technical University (Germany)
MANA-NIMS Nano-Vehicle (Japan)
Ohio Bobcat nanowagon team Ohio University (USA)
Swiss-⁠nano Dragster University of Basel (CH)

 

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NanoMobile clubCEMES-CNRS (France)

sponsorisée par

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Nanocar Team
Rice (USA) & Graz (Austria) Universities

 

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Nano-windmill Compagny
Dresden Technical University (Germany)

 

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MANA-NIMS
Nano-Vehicle (Japan)

sponsorisée par 

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Ohio Bobcat
nanowagon team
Ohio University (USA)

 

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Swiss-⁠nano Dragster
University of Basel (CH)

sponsorisée par

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Les molécules-véhicules enregistrées et acceptées ont été 3D imprimées par les organisateurs à une échelle macroscopique en utilisant le fichier .xyz des coordonnées atomiques de chaque molécule-véhicules fournies par les équipes lors de leur inscription. La photographie présentée ci-dessous donne ces impressions 3D avec un élargissement de 50 000 000 par rapport à la taille réelle de chaque molécule.

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Organisation de la course

1) Instrument où se déroulera la course

Construit par ScientaOmicron pour le Pico-Lab au CEMES-CNRS Toulouse, la course de voiture se déroulera sur un instrument unique au monde : le LT- Nanoprobe (LT-UHV- 4 STM) qui consiste en quatre microscopes à effet tunnel (LT-UHV-STM) capable de balayer la même surface en parallèle à basse température i.e. -270°C (LT) et en ultra-vide (UHV). En Novembre 2015, et après un an d’installation et de réglage, cet instrument est capable de fournir des images à l’échelle atomique avec une résolution de 2 picomètres.

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Cette photo présente la tête du LT-UHV 4 STM fonctionnant à Pico-Lab CEMES CNRS et où se déroulera la internationale course molécule voiture. La surface d’or est positionnée au centre de cette tête entre les 4 scanners qui sont clairement visibles sur la photo (Pour plus de détails sur cette machine, voir ScientaOmicron).

 

2) Piste où se déroulera la course

La technique expérimentale de manipulation d’atomes à l’unité est connue depuis les travaux précurseurs de D. Eigler à IBM dès l’année 1989. Cette technique sera utilisée pour la construction en parallèle et sur ​​la même surface d’or ultra-propre des quatre pistes de la course internationale de molécule-voitures. Cette surface d’or a été choisie pour la course parce que la plupart des molécule-voitures enregistrées sont physisorbées sur cette surface.

Un exemple de construction atome par atome est présenté sur le film ci-dessous. La lettre « C » pour « Car » a été construite en utilisant 6 ad- atomes d’or. Cette construction a été réalisé sur le LT-UHV 4 STM de Pico -Lab où se déroulera la course de molécule-voitures en 2016. La construction de cette lettre « C » a demandée 3 heures de travail pour repositionner chaque atome dans un mode de poussée avec une précision meilleure que 0,05 nm chacun des 6 ad- atomes en repoussant les autres ad-atomes d’or pour dégager la surface. Tous les ad-atomes d’or ont d’abord été produits sur la surface d’or en pratiquant une indentation douce de cette surface d’environ 2 nm de profondeur.

 


Single atom (Au) manipulation with 4-STM_(2) par cemes-cnrs
Manipulation atome par atome sur la surface d’or réalisée avec le LT-UHV-4 STM de Pico-Lab au CEMES-CNRS. Ce film a été construit image par image à courant constant (la taille des images de cette surface d’or est 8 nm x 10 nm). Les atomes ont été manipulés un par un par le Dr. Jianshu Yang du satellite Toulouse MANA -CNRS où la course molécule voiture aura lieu en 2016. Les 16 atomes d’or ont d’abord été STM imagés à très basse température. Puis certains d’entre eux ont été délicatement repoussés latéralement et enfin la lettre « C » construite avec seulement 6 de ces ad-atomes d’or. Toutes les images expérimentales de cette animation image par image ont été enregistrées à I = 50 pA et V = 500 mV. Le mode de manipulation des atomes d’or est un mode de poussée à courant constant avec une résistance tunnel de 333 KOhms.

 

Les 3 heures nécessaires à cette construction est une durée importante. Il s’agit du temps qu’une équipe donnée pour la course doit passer pour construire sa propre piste en parallèle avec les autres concurrents. La longueur exacte des pistes est à déterminer en accord avec toutes les équipes inscrites après les entrainements. Ceci devra être compatible avec la durée maximale de la course de molécule- voitures qui sera de 2 jours consécutifs et de la nuit entre ces 2 jours. Les Commissaires des pistes de la course de molécule-voitures sont chargés de certifier que toutes les pistes ont la même structure atomique et la même longueur entre les 2 ad- atomes du départ et les 2 ad-atomes d’arrivée. Chaque concurrent est libre de choisir la meilleure orientation cristallographique afin de conduire le plus vite possible sur la surface d’or.

En préparation de la course et peu de temps après son annonce dans la revue scientifique ACS Nano [1], la première piste expérimentale a été construite par la technique de manipulation STM d’atomes sur une surface d’or tel que présentée sur le film ci-dessous en utilisant dans ce cas un microscope à effet tunnel (LT-UHV-STM) à une seule pointe.

 


race_track_preparation II
Construction atome par atome assemblée pour la course de molécule-voitures. Cette première piste expérimentale a été construite en utilisant 9 atomes d’or manipulés un par un sur une surface d’or par la pointe d’un microscope à effet tunnel. Après l’étape de construction pas à pas, la ligne de départ, la ligne d’arrivée et les 5 ad-atomes d’or au centre (séparés par 3 nm) où la molécule-voiture devra circuler pas à pas, contourner chaque atome afin de gagner la course (Cette première piste a été préparée par Carlos Manzano, We Hyo Soe et Christian Joachim sur une surface d’or où la reconstruction de surface est facilement reconnaissable (Image LT-UHV-STM, A*STAR IMRE à Singapour)).

 

3) Comité technique pour la course

  • Dr. Christian Joachim, Directeur de la course de molécule-voiture
  • Pr. Jean-Pierre Launay, Commissaire de piste
  • Dr. Sebastien Gauthier, sublimation des molécules-voitures
  • Dr. David Martrou and Dr. Corentin Durand : préparation UHV et LT de la surface Au(111)
  • Dr. Xavier Bouju : calculs d’image STM par ESQC
  • P. Abeihlou : mécanique de précision et impression 3D
  • C. Pertel et L. Pettiti : électronique des très petits signaux
  • J.N. Fillon et C. Collard : PC de contrôle et réseaux
  • P. Paiva et B. Melet : Infrastructures
  • Dr. Evelyne Prévots : Communication

 

4) Lieu

Les sessions d’entrainements et la course finale se dérouleront sur le LT-NanoProbe (LT-UHV 4 STM) situé dans le bâtiment Pico-Lab du campus CEMES-CNRS G. Dupouy à Toulouse (La Boule).

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Calendrier

1) 27 novembre 2015 : Présentation officielle des équipes enregistrées à Futurapolis

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Toutes les équipes enregistrées pour la course de molécule-voiture et le constructeur du LT-UHV- 4 STM seront présentes à Toulouse le 27 Novembre 2015 lors de Futurapolis.Pendant la conférence de 11h du matin organisée par le CNRS, la Dir’Com du CNRS et le magazine Le Point, le public et les journalistes sont invités à poser des questions sur la course de molécule-voitures après la présentation des molécule-voitures par chaque équipe inscrite.

Le 27 Novembre 2015 après-midi, une réunion technique se tiendra à Pico-Lab avec le Directeur de la course, le Comité technique, le constructeur de la machine et un des Commissaires de piste. Le règlement de la course de molécule-voiture pour 2016 sera détaillé, les conditions de la course discutées et les règlements de sécurité exposées. Les périodes d’entrainement pour l’année 2016 seront revues.

 

2) Premières séances d’entrainements

 

Frank passe son permis de conduire avec Jianshu sur le LT-Nanoprobe

19 au 30 octobre 2015 :
L’équipe
 : Nano-windmill Compagny
Dresden Technical University (Germany)
Le pilote  : Frank Eisenhut
La chef d’équipe  : Dr. Francesca Moresco

 

Du 14 mars au 8 Avril 2016 :
L’équipe
 : Nano-windmill Compagny (Germany)
Dresden Technical University (Germany)
Le pilote : Dr. Frank Einsenhut
La chef d’équipe  : Dr. Francesca Moresco

 

Du 4 au 9 juillet 2016 :
L’équipe :
 : Nano-car Team (USA-Austria)
Rice University (USA) and Graz University (Austria)
Les pilotes  : Dr. G. Simpson and Dr. K. Seufert (Graz)
Les chefs d’équipe  : Pr. J. Tour (Rice) and Pr. L. Grill (Graz)

 

Mi juillet 2016 :
L’équipe :
MANA-NIMS Nano-Vehicle (Japan)
Le pilote : Dr. Kosuke Minami
La chef d’équipe : Dr. Waka Nakanishi

 

Fin juillet 2016 :
L’équipe :
NanoMobile club CEMES-CNRS (France)
Le pilote : Dr. Jianshu Yang
Le chef d’équipe  : Pr. Gwenael Rapenne

 

Début septembre 2016 :
L’équipe :
 : Ohio Bobcat Nanowagon (Ohio)
Les pilotes  : secret
Les chefs d’équipe  : Pr. S. Hla (Ohio) et Pr. E. Masson (Ohio)

 

3) Automne 2016

Les derniers entrainements et le Grand Prix

 

 

Références

Le site officiel de la course : http://nanocar-race.cnrs.fr/

 

1) Sponsoring

Nous acceptons les sponsors...

Jusqu’à présent, la course molécule - voiture est sponsorisé par (mai 2016) :

 

2) Presse

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3) Littérature scientifique et technique

[1] : C. Joachim and G. Rapenne, ACS Nano, 7, 11 (2013)

[2] : B. Ferringa al., Nature, 479, 208-211 (2011)

[3] : F. Moresco and coll., ACS Nano, 7, 191 (2013)

[4] : JM Tour and al., ACS Nano, 6, 592 (2012)

[5] : T. Ono and H. Kohno, J. Magn. Soc. Jap, 31, 305 (2007).

[6] : TA Jung and al., Science 271, 181 (1996).

[7] : L. Grill and al., Nature Nano.., 2, 95 (2007).

[8] : C. Manzano, W.H. Soe and coll., Nature Mat., 8, 576 (2009)

 

Remerciements

Le lancement et la maturation de cette compétition ont bénéficié du soutien continu de A*STAR à Singapour durant le projet VIP Atom Tech (2005-2014), du soutien continu du CNRS, du FEDER, de Toulouse Métropole et de la Région Midi-Pyrénées durant le CPER G. Dupouy (2007-2013), du soutien continu du projet MANA - NIMS (2008-2017) et des discussions avec le Pr. J.K. Gimzewski (UCLA). L’organisation de cette compétition a également bénéficiée de discussions permanentes avec la Dir’Com CNRS et avec les communicants de l’INP et INC du CNRS. La première annonce de la course de molécule-voitures est parue dans le Journal ACS Nano, Vol. 7, issue 1, p. 11, Janvier 2013.

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