Une équipe de chercheurs de l’Université de Montréal et de l’École Polytechnique de Montréal développe un dispositif capable de mesurer la quantité de chaleur échangée par les molécules et les nanostructures sur une surface ordonnée.

Mesurer la chaleur dont nous avons besoin pour faire bouillir un litre d’eau n’a rien de compliqué : on verse l’eau dans une bouilloire électrique qu’on branche et on multiplie la puissance de la bouilloire par le temps requis pour atteindre le point d’ébullition.

Mais comment répète-t-on cette expérience sur des molécules ou des nanostructures, d’une largeur de quelques atomes seulement, impliquées dans des réactions chimiques ou des transformations physiques?

Le dispositif, inventé par une équipe formée entre autres de Yonathan Anahory (étudiant au doctorat), François Schiettekatte (professeur au Département de physique de l’Université de Montréal) et Philippe Vasseur (associé de recherche à l’École Polytechnique de Montréal), permet pour la première fois de répondre à cette question.

Cette invention, un nanocalorimètre avec couche de matériau monocristallin peut ainsi mesurer l’énergie nécessaire pour assembler des nanocristaux à partir d’atomes se déplaçant sur une surface ou pour suivre une réaction chimique catalytique.

Ce nanocalorimètre consiste en une plaque chauffante pouvant mesurer l’énergie suffisante pour augmenter la température d’un échantillon, tout cela à l’échelle nanométrique. Grâce à la minceur du dispositif et à la possibilité de le chauffer rapidement – jusqu’à un million de degrés par seconde – la technique de nanocalorimétrie (développée initialement à l’Université d’Illinois à Urbana-Champaign) permet de suivre l’évolution de systèmes de une à quelques couches atomiques d’épaisseur. Le nanocalorimètre a été utilisé, par exemple, pour caractériser la relation entre le point de fusion d’un amas d’atomes et sa taille.

Alors que le nanocalorimètre initial était basé sur un matériau désordonné, difficile à utiliser pour l’étude des processus de surface, le nouveau dispositif mis au point par l’équipe du professeur Schiettekatte intègre une mince couche de silicium monocristallin, idéale pour suivre les processus de diffusion et de croissance à l’échelle atomique.

On pourra donc observer, en direct et pour une première fois, les échanges d’énergie associés avec les processus de catalyse, l’évolution de nanostructures, les réactions chimiques et l’auto-organisation de molécules organiques en surface, des phénomènes qui sont au cœur des nouvelles technologies développées par les industries des semiconducteurs, des télécommunications, de la pharmaceutique, de l’automobile et des nanotechnologies.

Des prototypes du dispositif, conçus dans des laboratoires du Groupe de recherche en physique et technologie des couches minces associés au Regroupement québécois sur les matériaux de pointe, ont déjà permis d’observer la réorganisation des défauts dans des couches minces de silicium et de vérifier des prédictions théoriques de haut niveau.

Le dispositif ayant fait ses preuves, le groupe entreprend maintenant des projets avec différents collaborateurs internationaux afin d’appliquer la technique à toute une variété de problèmes parmi ceux mentionnés ci-dessus. Après avoir déposé une demande de brevet avec Univalor, la société de commercialisation de l’Université de Montréal, les inventeurs sont également en discussion avec un partenaire industriel afin de rendre cette découverte accessible aux chercheurs du monde entier.

Pour de plus amples renseignements :

François Schiettekatte
Téléphone : 514-343-6049
Courriel : françois.schiettekatte@umontreal.ca