Le monde n'est pas flou et les forces sont invisibles

5 - Le monde n’est pas flou et les forces sont invisibles. 


 
Joël Chevrier

Institut Neel, CNRS/UJF

25 rue des Martyrs

BP 166

38042 Grenoble cedex 9


Les images d’une immense variété sont toujours plus au coeur de la représentation des résultats de la science dans un grand nombre de domaines. Les nanosciences n’y échappent pas bien au contraire. Ce colloque à travers notamment son titre «Images & mirages @ nanosciences» nous place immédiatement et intuitivement dans une sorte de porte à faux spécifique. Cet article dans un environnement par nature très interdisciplinaire est une interrogation naïve sur ce porte à faux. 


D’une part à «regarder» la matière de trop près, on finit par la trouver intrinsèquement «floue». D’autre part, ce regard au nanomètre est le résultat du contrôle  instrumental en détail des différentes formes d’interaction entre deux objets et non plus de l’interaction entre la lumière et l’objet matériel. «Contact matériel» complexe et de plus dissymétrisé puisque un objet devient la sonde et l’autre, l’objet observé. 


La plupart des images qui représentent notre environnement immédiat, produites par la science comme par le photographe amateur ne brisent pas ce que j'appellerai ici l’unicité de ma perception, ce qui n’est ici que la simple remarque suivante: «je touche un objet là où je le vois». Les situations où ce n’est pas le cas sont bien connues comme l’image du bâton brisé qui plonge dans l’eau. Effet dû à la réfraction de la lumière entre deux milieux d’indices optiques différents. Sinon je peux apprécier ou pas une image floue mais je suis capable de l’identifier en tant que tel au premier coup d’oeil et même souvent d’identifier la source de cet effet: vitesse trop grande de l’objet, problème de mise au point... l’image peut être floue mais pas le monde autour de moi tel qu’il s’offre à ma perception nue. On peut imaginer que c’est cette simple remarque qui a permis à Woody Allen d’offrir à Robin Williams dans Deconstructing Harry (1997), le rôle d’un personnage qui devient intrinsèquement flou pour tous même si sa femme pose sa main sur son visage flou sans problème. Dans le dialogue anglais, l'apparence du personnage est décrite comme «soft», une sorte de paradoxe puisque son contact direct avec les autres et les objets ne change pas. Source d’un jeu de mot un peu leste bien entendu mais qui souligne aussi en passant les conséquences de ce flou pour les différentes modalités de notre perception. 

A la précision de notre vue et de notre toucher, il n’y a pas d’ambiguité : un objet présente une surface qui sépare l’intérieur de l’extérieur de l’objet. L’interaction de la lumière avec cette surface et le contact direct permettent à ma vue et à mon toucher de localiser cette surface. Les deux sens la placent au même endroit. C’est banal tant ceci est notre expérience quotidienne. Le malheureux qui heurte une porte vitrée se fait mal et prête à rire. Pour le physicien, assurer que la détection optique et le contact direct localisent la porte vitrée au même endroit demande un peu de réflexion et de travail. C’est fait et même bien fait. 

Au total, pour mon toucher le passage entre dehors et dedans n’a pas d’épaisseur. Un objet par déformation peut repousser un autre objet pour prendre sa place mais ils ne peuvent absolument pas se superposer. Je peux plonger ma main dans l’eau. Là où est main n’est plus l’eau. Je n’identifie pas de zone intermédiaire. L’image rend d’abord compte de cette précision dans la localisation de la matière dont nous sommes faits. Pour le contact, la description est simple à notre échelle. Loin je n’interagis pas. En s’approchant, on touche brutalement même la surface de l’eau. Encore une fois banalité que tout cela. A ceci près que pour expliquer l’impossibilité de passer à travers une muraille, il semble bien difficile de se passer du principe d’exclusion énoncé d’abord par Wolgang Pauli en 1925 et qui est au coeur de notre description quantique de la matière qui nous entoure et nous constitue. La répulsion entre deux atomes à très courte distance apparaît avec une très grande brutalité lorsque l’on cherche à les presser l’un contre l’autre. On parle de répulsion de coeur dur. Cette répulsion de coeur dur conditionne pour l’essentiel le contact direct. L’interdiction de la superposition de deux objets dans l'espace à notre échelle est en une conséquence majeure. Elle le conditionne en fait à pratiquement toutes les échelles et avec la même brutalité. Ce point est très important pour la production d’images en palpant. 

Aux échelles sub-micrométriques, on doit abandonner l’espoir de produire une image basée sur l’optique géométrique. Les caractéristiques de l’interaction entre la lumière et la matière ne le permettent plus. On peut néanmoins construire une image qui est la représentation objective de l’interface très étroite entre le vide et le plein grâce au contours enregistrés par le nanopalpeur que peut être le microscope à force atomique (AFM) dans son usage le plus élémentaire. On n’est alors finalement pas très surpris par cette image. En particulier, même à l’échelle nanométrique, elle dépend peu de la pression qu’exerce la pointe sur cette surface. Pour palper une surface texturée, il n’est pas utile de presser mon doigt très fort sur la surface. Un nanotube de carbone sur un substrat de silicium ressemble beaucoup à un spaghetti sur une assiette. Imager une surface quelconque à travers le contact direct en utilisant une pointe dont l’extrémité constitue une demi-sphère de 10 nanomètres de diamètre donne finalement un résultat assez banal: c’est souvent rugueux et dur. L’image finale est précise, donc pas du tout flou, et dépend très peu des conditions de sa production. N’est pas banal par contre la capacité que nous donne alors cet appareil de visualiser ainsi des détails à des échelles plus petites que la taille d’un virus. La structure du disque Blu-Ray que dévoile l’image AFM se révèle identique à l’échelle près à celle du CD parfaitement observée au microscope optique. Encore fallait il le montrer.

Ci dessus, jusqu’au nanomètre, nous avons considéré le cas où l’interaction entre une pointe et une surface est dominée par le contact direct, la répulsion de coeur dur. En détail, au nanomètre, l’interaction entre deux nanoobjets devient plus complexe et donne lieu à une plus grande variété de comportements que l’on sait identifier, contrôler et utiliser. Dans cette succession se trouve une partie de la puissance moderne des nanotechnologies : une action efficace et détaillée à l’échelle moléculaire que l’on sait rapidement et massivement dupliquer. Les nanobjets s’attirent, le lézard gecko marche au plafond, l’entreprise SOITEC fait du collage moléculaire entre des plaques de silicium parfaitement plates. Mais les images deviennent «floues»... Richard Feymann a produit nombre de déclarations qui jalonnent nos actions et nos analyses. A côté du fameux et toujours répété, «There is plenty of room at the bottom», on trouve dans l’introduction à son cours de physique de 1963 la phrase suivante: «If, in some cataclysm, all of scientific knowledge were to be destroyed and only one sentence passed on to next generations of creatures, what statement would contain the most information in the fewest words? I believe it is the atomic hypothesis (or the atomic fact, or whatever you wish to call it) that all things are made of atoms -- little particles that move around in perpetual motion, attracting each other when they are a little distance apart, but repelling upon being squeezed into one another.»  Nous avons abondamment tiré parti dans ce qui précède de la répulsion à courte distance et ce qui nous occupe ici maintenant est le fait que les atomes s’attirent lorsqu’ils sont séparés par des distances nanomètriques. Une faible interaction attractive à des distances même faibles, n’est pas sans conséquence. A notre échelle, cette interaction attractive est totalement négligeable pour notre perception mais pas à l’échelle des moustiques ou des araignées par exemple. 

Pour introduire du «flou» dans les images reconstruites à partir du contrôle d’une  interaction attractive étendue à l’échelle nanométrique, prenons le cas d’un électron enfermé dans une boîte nanométrique, i.e. une nanostructure attachée à une surface. Cette situation n’a rien d’une expérience de pensée. Elle peut être réalisée aujourd’hui sans trop de difficultés en tous cas si on enferme disons quelques dizaines d’électrons dans la boîte. Le faire pour un électron unique est plus difficile mais reste tout à fait possible et ne pose pas de problème de principe. A partir de là, on peut choisir de reconstruire une image de la boîte elle même, comme si elle était vide, en utilisant le contact direct. On peut aussi produire une image basée sur l’interaction électrostatique attractive entre la pointe et la surface. Le contrôle de cette interaction attractive permet de détecter la force électrique entre l’électron dans la boîte et la pointe chargée. Rien ne s’oppose à ce que l’on construise alors une image définie par cette force électrique. Cette image existe ou plutôt ces images car on peut décider de contrôler la force électrique à différentes intensités et produire différentes images. Quel est leur statut ? Que représentent elles à nos yeux sans commentaire associé notamment sur l’interaction utilisée localement pour construire cette image ? Un électron en tant que particule élémentaire ? Certainement pas. La mesure ici mise en jeu détermine la surface sur laquelle l’interaction entre la pointe chargée et la boîte chargée est en tout point la même. C’est la description scientifique. Est ce alors une image ? Représenter comme une simple image, la surface ainsi définie est d’abord la séparation entre un extérieur accessible à la pointe et un intérieur qu’elle ne peut pas pénétrer étant données les règles d’exploration que mon contrôle lui impose. La position et la forme de cette surface varient donc non seulement en fonction de la taille de la boîte et du nombre d’électrons qu’elle contient mais aussi en fonction de mes décisions au sujet du contrôle de l’interaction. Cette surface semble un mur qui n’est pas matériel. Il est néanmoins bien réel pour cette pointe chargée. Comme un mur «soft» au sens de Woody Allen, dans lequel je peux pénétrer plus ou moins en fonction de ma détermination à m’enfoncer dedans. On objectera certes avec raison que pour ne pas se plonger dans ce genre d’interprétation et dans les dilemmes associés, il suffit de ne pas présenter le résultat de cette mesure sous la forme d’une image mais d’un ensemble de courbes représentant «différents profils de l’interaction pointe/électron». Ainsi c’est sans ambiguité mais cela épuise t il le sujet ?  Les microscopies de champ proche comme l’AFM produisent en masse ce type d’images.  C’est ainsi. Ce cas particulier de l’électron dans une boîte quantique est peut être un peu extrême mais la même question se retrouve aussi pour tout type d’interaction entre la pointe et la surface: répulsive, attractive due soit à la condensation capillaire d’eau entre la pointe et la surface, soit aux charges électrostatiques ou encore à la force de van der Waals.  Il faut aussi inclure l’élasticité et la plasticité. Dans le cas de la biologie mais pas seulement, cela devient une question majeure. L’image produite devient alors un questionnement sur la représentation d’une topographie issue du choix non seulement de l’interaction utilisée à l’échelle nanométrique mais aussi du choix de l’opérateur de l'intensité de cette interaction entre la pointe et la surface durant l’acquisition des données nécessaires à la reconstruction de l’image. On est tout de même un peu loin de la représentation géométrique et objective produite par l’interaction entre la lumière visible et la matière. 

Les mots de Daniel Arasse le disent mieux dans ses interventions sur France Culture il y a quelques années, à la fin de sa vie, en parlant de l’invention de la perspective à la Renaissance. En substance: «Cette géométrisation de l'espace et du temps est l’innovation fondamentale et bouleversante de l’invention de la perspective.» Il s’agit ici en particulier ici de la représentation par la perspective monofocale centrée. Daniel Arasse poursuit avec: «...du XVème siècle jusqu’à Monet: la perspective est toujours là, et l’appareil photographique prendra ensuite le relais dans la mesure où il ne fait que singer le principe de la perspective...». Pour un physicien, cette analyse de la robustesse de la représentation en perspective et sa continuité dans la représentation produite par l’image photographiée se fondent sur l’incroyable puissance de l’optique géométrique, son rayon lumineux, son dioptre, la loi de Snell-Descartes et les indices optiques... à l’origine des microscopes optiques. L’interaction peut se faire oublier pour laisser la place à la géométrie. 

Les images au nanomètre en particulier ne bénéficient pas de cet outil qui n’a pas d’équivalent à cette échelle. La complexité de l’interaction lumière matière à ces échelles élimine pratiquement la notion de microscopie. Depuis peu existent notamment dans les synchrotrons des microscopes à rayons X. Leur localisation dans les synchrotrons illustre immédiatement le problème. Peu de chance qu’il envahisse le lycée. Comme souligné ad nauseam, ci dessus, un reste de description géométrique dans la localisation des interfaces subsiste à l’échelle nanométrique. C’est la répulsion de coeur dur basée pour l’essentiel sur le principe d’exclusion de Pauli qui l’assure par sa brutalité universelle. Pour les autres types d’interaction, les images produites ne portent pas en elles implicitement leur propre théorie du contraste directement en phase avec notre perception. Toute notre éducation et la force de l’habitude nous par contre portent à lire toute image avec le rayon lumineux comme outil. Elle en devient effectivement un mirage. 

Les forces sont invisibles et ne sont, en tous cas, pas représentées dans une image. En anglais on parle de «visual display» pour les écrans et de «force display» pour les interfaces à retour d’effort ou interfaces haptiques. Finalement l’haptique tente d’être au toucher, ce que l’optique est à la vue. Au delà, la question se pose de savoir si on peut produire des outils qui permettront à notre perception de s’emparer des images issues des nanotechnologies ou d’autres domaines scientifiques sans ambiguité. Il n’est pas nécessaire d’espérer pour entreprendre, mais cela paraît bien difficile.

Le sommet est certainement atteint lorsque la chimie rentre dans le jeu avec le microscopie à effet tunnel (STM). Une pointe balaye une surface à l’échelle du nanomètre sans jamais être au contact direct qui produirait un court circuit.

Deux atomes proches interagissent pour former une liaison chimique. Ils échangent des électrons. La description de ces échanges d’électrons est intrinsèquement quantique. Aucune autre voix possible à ce jour. Le calcul en particulier numérique décrit en grand détail cet échange d’électrons, le nombre d‘électrons et les symétries mises en jeu, l’énergie de la liaison. Tout ceci en fonction de la distance entre les atomes. Il y a un optimum pour la distance entre atomes notamment au plan énergétique. Ceci détermine la taille de la molécule et sa cohésion. La force du microscope à effet tunnel est sa capacité à prendre, au plus fin, les commandes de l’ensemble du processus d’interaction entre deux atomes. L’un de ces atomes est le dernier de la pointe du STM, l’autre est sur la surface en face. Le microscope impose la distance entre atomes avec une grande précision mais aussi l’intensité de l’échange d’électrons, c’est à dire le courant électrique. C’est un des plus grands succès et un des outils les plus puissants des nanosciences.  Dans quelques cas très simples comme la surface de l’or ou du graphite très utilisés avec les lycéens et les étudiants, la mise en évidence de la structure atomique de la surface est très facile. Au delà pour un usage professionnel, sa difficulté de mise en oeuvre ne le rend pas très courant. 

Passer à la production d’une image ne pose aucun problème. Il suffit de balayer la pointe sur la surface. Pour un scientifique, la mise en évidence de la structure atomique reste spectaculaire. Le résultat est garanti. A Grenoble, nous l’avons reproduit des centaines de fois pour des étudiants et des lycéens sans aucun échec. Aucun mérite. Tout le monde le fait. Obtenir ce résultat en balayant avec 3 morceaux de céramique piézoélectrique, une simple pointe métallique mal équarrie au voisinage de la surface laisse pantois. Il faut se plonger dans la mécanique quantique pour trouver les raisons de cette robustesse. Il reste que l’image produite est banale. Des oeufs dans une boîte sur le marché la décrivent parfaitement. Les lycéens ne s’y trompent pas. Il faut entrer, par le commentaire, dans le détail de la mesure pour faire surgir la force du processus qu’il observe dans la construction de l’image sur l’écran. En revenant à la mesure elle même, au montage expérimentale, à leur connaissance en chimie, on voit les regards s’éclairer. La partie est définitivement gagnée au plan pédagogique si on reprend en main un modèle chimique «boules et bâtons» de la surface et de la pointe. Mais là encore, c’est le retour de la géométrisation appliquée à l’échelle atomique. Ce modèle se base sur les symétries des états électroniques qui conditionnent la symétrie des molécules et sur le principe de Pauli qui pour l’essentiel définit la taille de la boule représentant un atome. Combien de fois Crick et Watson ont ils poser devant leur modèle géant d’ADN ? Tout le monde connaît le modèle «boules et bâtons» de la chimie.  Peut être est ce travail qu’il faut continuer à faire pour véhiculer par l’image des clés de la connaissance à l’échelle du nanomètre ?  Bien entendu les outils comptent et la technologie est ici déterminante dans la construction des moyens de la représentation. Le virtuel devrait y prendre une place centrale. C’est un programme de recherche. 


Pour faire le portrait d'un electron

Éditions Hermann - Catalogue

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Images et mirages @ nanosciences. Regards croisés
Sous la direction d'Anne Sauvageot, Xavier Bouju et Xavier Marie   ISBN : 9782705682149    

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