Nanomatériaux à bord de la navette spatiale

Pouvez-vous vous imaginer travaillant avec des matériaux n'ayant que quelques nanomètres de longueur et capables de trier différents types de molécules ? C'est ce que font le professeur Geoffrey Ozin et l'étudiante au doctorat Carol Bowes, dans leur laboratoire de l'Université de Toronto. Ils utilisent en effet une nouvelle catégorie de matériaux appelés « semi-conducteurs nanoporeux » Ces nanomatériaux sont importants parce que leurs propriétés optiques et électroniques peuvent être modifiées par l'absorption de gaz.

Les nanomatériaux, des sulfures métalliques de germanium et d'étain, sont des semi-conducteurs qui contiennent des pores alignés de façon régulière et dont la taille varie de 3 à 20 angströms (1 angström = 1 x 10^-10 m). La taille de ces pores peut être modifiée à volonté ! Les différentes tailles de pores dans les semi-conducteurs permettront de différencier électroniquement les molécules, étant donné que seules certaines d'entre elles pourront passer dans chaque pore. Il devient donc possible de détecter les différentes molécules d'un gaz et d'en calculer la quantité selon leur comportement à l'adsorption, selon leur taille et selon leur forme.

Ces types de semi-conducteurs, également appelés chalcogénures, sont, en fait, des cristaux autoassemblés, c'est-à-dire qui se sont formés d'eux-mêmes. Toutefois, la formation et la croissance des cristaux n'ont pas toujours été parfaites. Dans les conditions normales, les cristaux sont souvent petits et comportent des imperfections causées par des effets gravitationnels comme les dépôts de sédiments et la convection de chaleur. Afin de trouver de meilleures conditions de croissance pour ces cristaux, le professeur Ozin a travaillé conjointement avec l'Agence spatiale canadienne et COM DEV Atlantic, du Nouveau-Brunswick, pour déterminer s'il n'était pas possible d'en faire croître de plus parfaits en état de gravité presque nulle (microgravité).

Un système automatisé a donc été mis au point pour mener et observer 38 expériences de croissance de cristaux. Le projet, appelé « NANOGAS », a été activé par l'astronaute canadien Marc Garneau à bord de la navette spatiale de la NASA, en mai 1996. On a prédit que les cristaux seraient plus gros et que leur forme serait plus parfaite s'ils croissaient dans un environnement de microgravité. Cette expérience est la première au cours de laquelle on a simultanément synthétisé et fait croître des cristaux dans l'espace. Une fois ramenés de l'espace, ils ont été comparés aux cristaux que l'on a fait croire sur Terre en ayant recours à la même procédure.

Les travaux effectués par MM. Ozin et Bowes, et deux boursiers postdoctoraux, David Young et Andy Holmes, portaient également sur la caractérisation et la synthèse du sulfure stanneux et du sulfure de germanium. M. Bowes s'est concentré sur la caractérisation et la compréhension du sulfure stanneux (SnS-1). D'autres membres du groupe travaillent sur d'autres chalcogénures de l'étain contenant du soufre ou du sélénium, ainsi que de nouveaux chalcogénures de germanium. Les recherches actuelles du groupe de M. Ozin portent sur la synthèse des couches minces, les chalcogénures mésoporeux et la synthèse de nouvelles structures.

Il faut espérer que, grâce aux recherches sur les nouveaux semi-conducteurs et le perfectionnement de la croissance des cristaux, il deviendra possible d'utiliser ces nouveaux matériaux. La taille variable des pores des cristaux permettra d'utiliser ces semi-conducteurs à de nombreuses fins, l'une des plus évidentes étant la détection et la quantification des molécules. Ils pourront servir aussi de détecteurs pour l'analyse de la qualité de l'air et de la fraîcheur des aliments, la recherche de substances illégales ou même l'évaluation de la pureté chimique des gaz. En d'autres termes, ils serviront de « nez » électroniques capables de « renifler » tous les types de molécules !