Initiative en nanotechnologie CNRC-Université de l'Alberta

Chef de projet au CNRC : Jason Pitters (Ph. D.)

Chef de projet à l'Université de l'Alberta : Robert Wolkow (Ph. D.)

Résumé : L'Université de l'Alberta et le Centre de recherche en nanotechnologie ont déterminé que certains circuits atomiques simples peuvent avoir une immense valeur commerciale. Certains éléments de circuit se sont ainsi avérés utilisables dans un microscope à effet tunnel à basse température. Il serait cependant utile de procéder à des tests au‑delà de l'environnement restrictif de tels microscopes et plusieurs avancées sont nécessaires dans divers domaines de recherche pour que l'on puisse faire passer ces éléments de circuits du microscope à un banc d'essai indépendant.

Les avancées nécessaires comprennent notamment : (1) un développement encore plus poussé des éléments de circuit atomique tels que des transistors, des grilles et des fils capables de fonctionner avec un électron unique. Ces travaux nécessiteront la création et la mise à l'essai de structures atomiques à l'aide de la microscopie à force atomique et de la microscopie à effet tunnel. (2) l'élaboration de stratégies d'entrées et de sorties pour raccorder l'environnement macroscopique à ces structures atomiques. La microscopie à effet tunnel avec ou sans sondes multiples permettra d'évaluer divers fils qui assurent ce type de raccordement. (3) l'élaboration de stratégies de préparation du silicium pour un contrôle optimal des circuits et leur intégration dans un semi‑conducteur complémentaire à l'oxyde de métal (CMOS). Le dopage au silicium et des techniques de microfabrication seront utilisés pour explorer diverses façons d'intégrer les circuits atomiques aux composants CMOS. (4) l'encapsulation des circuits pour leur retrait de la chambre sous vide. La microfabrication permettra d'étudier le confinement des circuits atomiques à l'intérieur de supports de silicium liés sur tranche. 5) le développement d'outils (dispositifs de balayage linéaire et sondes de lithographie) pour améliorer le rendement de la fabrication des éléments de circuit et permettre de nouvelles mesures.

Toutes ces avancées constituent des défis à relever pour le développement des circuits atomiques, mais ils relèvent d'objectifs généraux qui resteront importants dans le domaine de la recherche sur les phénomènes aux échelles nanométriques et atomiques.

Chef de projet au CNRC : Darren Makeiff (Ph. D.)

Chef de projet à l'Université de l'Alberta : Michael Serpe (Ph. D.)

Résumé : La communauté scientifique s'intéresse de près aux nanomatériaux à base de gel pour l'encapsulation et la libération de petites molécules ainsi que pour l'absorption et le piégeage sélectifs de petites molécules contenues dans des mélanges. Ce projet visera principalement à concevoir, synthétiser et caractériser de nouveaux nanomatériaux à base de gel sensibles à des stimuli. Des groupes fonctionnels seront incorporés dans les nanomatériaux à base de gel pour induire une sensibilité à des stimuli externes tels que la lumière, la chaleur et le pH. Cette nouvelle stratégie consiste à utiliser une composition hybride constituée d'une part de nanoparticules dans un hydrogel (nanogel) qui forme un réseau polymère réticulé chimiquement et d'autre part d'un réseau d'hydrogel physique, sensible aux stimuli, constitué de gélifiants de faible poids moléculaire. Nous étudierons la capacité de cet hydrogel physique sensible aux stimuli à former un réseau imbriqué dans le noyau polymère du nanogel réticulé chimiquement. Nous déterminerons la capacité des gélifiants à faible poids moléculaire et du nanogel à libérer de petites molécules (et des médicaments) dans divers milieux de manière contrôlée (avec un déclencheur) et possiblement synergique. La synthèse de tels matériaux n'a jamais été tentée auparavant et devrait permettre la conception de nouveaux matériaux gélifiés sensibles aux stimuli utilisables pour le transport des médicaments, l'assainissement de l'eau et d'autres applications auxquelles s'intéressent le CNRC et l'Université de l'Alberta.

Chef de projet au CNRC : Joey Sheff (Ph. D.)

Chef de projet à l'Université de l'Alberta : Michael Overduin (Ph. D.)

Résumé : Près d'un tiers du protéome humain est constitué de récepteurs liés à la membrane qui traduisent les signaux extracellulaires pour amorcer diverses fonctions cellulaires. Un mauvais fonctionnement de ces « gardiens » membranaires peut donc causer diverses pathologies. Le fait qu'ils se trouvent à la surface des cellules est à la fois un avantage et un inconvénient : ils constituent des cibles idéales pour les thérapies qui ont recours à des anticorps, mais leur préparation et leur caractérisation sont limitées par des difficultés techniques liées à leur stabilité et à leur solubilité. Dans le cadre de ce projet, des récepteurs mis en jeu dans des troubles du système nerveux central seront étudiés à l'aide de nouveaux outils afin de mettre au point des techniques d'intervention ciblée à base d'anticorps. Des polymères de type SMA (anhydride maléique styrène) mis au point à l'Université de l'Alberta seront utilisés pour faciliter le développement de thérapies à base d'anticorps contre certains récepteurs membranaires difficiles couplés aux protéines G et étudiés au CNRC. Ces polymères biocompatibles permettent d'extraire et de mettre en solution les protéines membranaires dans les nanodisques lipidiques tout en préservant leur conformation originale. Plusieurs polymères de ce type seront testés. Le CNRC explorera l'intégration d'antigènes membranaires dans le protocole de recherche d'anticorps dans l'optique d'améliorer les capacités de présentation et de caractérisation des antigènes. Ils seront utilisés comme immunogènes pour la production d'anticorps et pour des analyses biophysiques en aval axées sur la sélection des meilleures pistes thérapeutiques. Les récepteurs et leurs lipides associés seront visualisés par microscopie électronique, diffusion de la lumière, spectrométrie de masse et spectroscopie par résonnance magnétique nucléaire pour révéler en détail les liens entre la structure et la fonction des candidats thérapeutiques. À long terme, l'objectif est de mettre à l'échelle l'utilisation de cette nouvelle technologie brevetée à base de nanoparticules afin d'être en mesure de développer des anticorps et des médicaments potentiellement efficaces contre certains troubles neurologiques tout en améliorant les connaissances mécanistiques sur un nombre croissant de pathologies critiques.

Chef de projet au CNRC : Marek Malac (Ph. D.)

Chef de projet à l'Université de l'Alberta : Frank Hegmann (Ph. D.)

Résumé : Il n'existe aucune source compacte de lumière laser dans la région de l'ultraviolet extrême. De telles sources pourraient pourtant faciliter la mise au point de nouveaux outils pour la détection chimique et la suppression d'agents pathogènes (p. ex., COVID‑19). Les sources de rayonnement dans l'UVE sont par ailleurs très importantes pour la lithographie utilisée pour la fabrication des processeurs d'ordinateur. La photonique dans l'UVE facilitera un traitement et un stockage des données et des renseignements plus compact et plus rapide.

Durant la phase I de ce projet, nous avons assis de plusieurs manières notre leadership en matière d'étude des matériaux destinés à l'UEV et de fabrication de dispositifs. Nous avons identifié plusieurs matériaux et phénomènes physiques qui peuvent être exploités pour la production d'un rayonnement dans l'UVE. Nous avons démontré de manière conclusive l'existence de plasmons EUV dans le silicium, le germanium et le diamant à l'aide de calculs fondés sur les premiers principes et d'expériences de spectroscopie de perte d'énergie des électrons avec résolution d'impulsion (qEELS). Finalement, nous avons caractérisé ces matériaux à haute température afin de montrer leur stabilité. Nous avons donc surmonté une vaste gamme de défis du domaine des sciences des matériaux.

En parallèle, l'équipe de Paul Barclay a étendu ses capacités de pointe dans le domaine de la nanofabrication des diamants en incluant les cristaux photoniques. L'acquisition de ces capacités, développées conjointement au Centre de recherche en nanotechnologie et au centre NanoFAB de l'Université de l'Alberta, constitue une étape clé de la mise au point des sources d'EUV qui sera poursuivie dans le cadre de la phase II du projet. Du point de vue fondamental, ces dispositifs offrent une plateforme pour sonder les propriétés des nanostructures en diamant dans l'UVE. Sur le long terme, la technique de gravure « quasi isotropique » qu'utilise le laboratoire dirigé par Paul Barclay pour fabriquer des dispositifs à base de diamants pourrait être appliquée à d'autres matériaux, notamment le germanium. Quelques‑uns des matériaux utilisés par Paul Barclay ont été étudiés par qEELS, ce qui referme la boucle qui illustre le va‑et‑vient entre théorie et caractérisation expérimentale des matériaux. La phase II est axée sur la fabrication et la caractérisation des dispositifs.

Chef de projet au CNRC : Michael Fleischauer (Ph. D.)

Chef de projet à l'Université de l'Alberta : Jonathan Veinot (Ph. D.)

Résumé : Les nanomatériaux promettent d'avoir une incidence importante sur des domaines aussi éloignés l'un de l'autre que le stockage de l'énergie et les soins de santé. L'étude statique de la structure et de la composition des nanomatériaux va continuer à livrer des renseignements précieux, mais ces matériaux sont par nature des systèmes piégés cinétiquement qui ont tendance à évoluer lorsqu'ils sont exposés à des sources externes de stress (variations de température, conditions de traitement, tension électrique, etc.). Il existe donc un besoin croissant de mettre au point de nouvelles méthodes de caractérisation in operando pour évaluer et caractériser directement les nanomatériaux « en action ». Nous sommes idéalement positionnés pour relever ce défi.

L'expertise étendue de notre équipe en matière de conception, préparation, caractérisation et application des nanomatériaux ainsi que son accès à une puissante instrumentation au Centre de recherche en nanotechnologie et à l'Université de l'Alberta nous ouvre la voie vers des avancées révolutionnaires. La collaboration avec l'équipe de microscopie électronique du Centre de recherche en nanotechnologie est l'occasion de faire des avancées techniques conséquentes sur l'instrumentation et les matériaux. Notre objectif est de démontrer l'utilité des nouvelles capacités de l'équipe pour l'étude de systèmes de pointe à base de nanoparticules conçus pour améliorer le stockage de l'énergie et les dispositifs émetteurs de lumière. Par exemple, des difficultés majeures concernant la gestion des changements de volume et la maîtrise de la réactivité limitent le potentiel des batteries à ions de lithium. Les nouveaux matériaux de moindres dimensions tels que les composés de Van der Waals (p. ex., silicane, germanane, oxyde de graphène réduit fonctionnalisé) ouvrent une voie prometteuse vers la mise au point de dispositifs de stockage de l'énergie hautement performants. La mise au point de méthodes microscopiques pour l'observation in operando de l'évolution des nanomatériaux, en complément des méthodes actuelles d'analyse ex situ, nous permettra de développer de nouveaux assemblages de nanoparticules et de nanofeuillets. Cela nous permettra aussi d'élucider les liens entre structure et propriétés fonctionnelles et de parvenir à des dispositifs de stockage de l'énergie qui sont propres et très efficaces.

Chef de projet au CNRC : Marek Malac (Ph. D.)

Chef de projet à l'Université de l'Alberta : Frank Hegmann (Ph. D.)

Résumé : Notre objectif est de faire la démonstration de principe de la production d'un faisceau d'électrons ultrarapides, de la manipulation des paquets d'ondes électroniques correspondants et de l'analyse du faisceau à l'aide de champs électromagnétiques pulsés à des fréquences de l'ordre du térahertz (THz). Le principal résultat attendu est une meilleure compréhension des principes fondamentaux qui régissent le contrôle des paquets d'ondes électroniques dans des champs THz et la démonstration de principe de l'instrumentation connexe. Si le projet arrive à ses fins, nous aurons à notre disposition un microscope électronique à transmission ultrarapide dans le domaine du térahertz (METU‑THz). Un tel microscope pourrait nous permettre d'observer des échantillons avec une résolution temporelle de l'ordre de la période des vibrations atomiques. La METU‑THz pourrait mener à la mise au point de nouveaux modes d'analyse par spectroscopie électronique qui sont capables de reconnaître des matériaux en fonction de leur spectre vibrationnel avec une résolution spatiale élevée.

Nous utiliserons un faisceau d'électrons continu contrôlé par des champs électriques et magnétiques pulsés à des fréquences de l'ordre des térahertz. Cette approche a récemment fait l'objet d'une démonstration avec des champs de radiofréquences, mais l'utilisation d'impulsions de l'ordre des térahertz de haute intensité offre la possibilité de travailler avec des champs électriques et magnétiques d'intensité maximale supérieure. Cela permet également de réduire la taille des guides d'ondes et des résonateurs térahertz et de bénéficier d'une plus grande stabilité qui devrait permettre d'adapter notre solution aux microscopes électroniques de 100 à 300 kV.

Le projet est rendu possible par le capital d'expertise et de matériel déjà présent au sein du Centre de recherche en nanotechnologie et de l'Université de l'Alberta. Grâce à de modestes investissements successifs, nous espérons nous imposer en leaders de la caractérisation ultrarapide des matériaux à l'échelle nanométrique.

Chef de projet au CNRC : Marianna Kulka (Ph. D.)

Chef de projet à l'Université de l'Alberta : Valerie Sim (Ph. D.)

Résumé : Les prions sont des agents pathogènes transmissibles responsables de l'encéphalopathie spongiforme bovine (ESB) chez les bovins, de la maladie débilitante chronique (MDC) chez les cervidés et de la maladie de Creutzfeldt‑Jakob (MCJ) chez les humains. Les humains et les animaux peuvent contracter la maladie par voie orale, les prions pénétrant alors l'organisme par l'intermédiaire de la muqueuse du tube digestif. Il n'existe pas de traitement pour cette maladie fatale, mais seulement certaines stratégies prometteuses, basées sur l'immunothérapie, c'est‑à‑dire l'utilisation d'anticorps pour débarrasser les tissus infectés des prions. Il est cependant difficile de concevoir ces anticorps parce que les prions sont une version mal repliée d'une protéine normale (PrP) que l'organisme ne reconnaît pas comme étant étrangère. Les prions ne déclenchent donc pas une forte production d'anticorps. De plus, les anticorps ne peuvent pas pénétrer facilement dans les tissus ni se lier aux prions avec une forte affinité. Les stratégies actuelles s'appuient sur un seul type d'anticorps, l'immunoglobuline GC (IgG), bien que le système immunitaire en fabrique cinq. Nous sommes d'avis que les IgG ne sont pas les anticorps les plus efficaces pour cibler les prions parce que l'évolution en a fait des agents préférentiellement puissants dans la circulation sanguine, qu'elles ont une courte demi‑vie et qu'elles ne fonctionnent pas bien à la surface des muqueuses. Par contre, l'immunoglobuline E (IgE), réputée pour son rôle dans les réactions allergiques, est efficace même à de très faibles concentrations et sur de longues périodes et elle reconnaît et élimine les pathogènes présents dans le tube digestif. Nous avons d'ores et déjà fabriqué une IgE anti‑PrP et avons montré qu'elle se lie au récepteur FcƐRI (récepteur à haute affinité pour l'IgE) des mastocytes humains et qu'elle déclenche alors la libération par ces derniers de protéases capables de dégrader les PrP. Ces résultats valident dans son principe une nouvelle approche immunothérapeutique contre la maladie à prion.

Selon les chercheurs chargés de ce projet, le recours à un seul type d'anticorps, comme l'IgG, n'est pas l'approche la plus efficace pour cibler les prions. Ils prévoient de tester leur hypothèse en créant de nouvelles IgE anti‑prion, en observant comment ils interagissent avec les glycoprotéines de surface cellulaire et les protéines prion mal repliées (isomorphe pathologique de la protéine prion de la tremblante) et en évaluant leur capacité de déclencher l'élimination des protéines prion infectieuses in vitro dans des cultures cellulaires. Ces travaux permettront de démontrer dans son principe la faisabilité des nouvelles immunothérapies pour contrer la maladie à prion.

Ce projet combine diverses expertises relevant de l'électronique moléculaire — analyses théoriques, travaux expérimentaux et applications commerciales — pour mettre au point une nouvelle classe de composants possédant des caractéristiques distinctes de celles des semi‑conducteurs conventionnels. Cette collaboration a pour objectif principal la « conception rationnelle » de dispositifs électroniques moléculaires offrant des comportements et des fonctionnalités difficiles, voire impossibles, à atteindre avec les composants électroniques actuels.

Les émulsions présentent de sérieux défis pour le secteur pétrolier. Le pétrole brut contient toujours de l'eau, dont une partie sous forme de grosses gouttelettes faciles à éliminer. L'objectif principal de ce projet est d'observer et de suivre en temps réel l'agrégation des asphaltènes et l'évolution qui en résulte au niveau de la rhéologie des émulsions d'eau dans le pétrole à l'échelle des inclusions aqueuses.

Ce projet consiste à étudier les phénomènes physiques qui pourraient être exploités pour mettre au point des sources de lumière cohérente dans l'ultraviolet extrême. Les chercheurs utilisent la spectroscopie électronique de perte d'énergie à impulsion à l'aide d'un microscope électronique à transmission afin d'élucider les propriétés des matériaux qui sont essentielles pour la fabrication des nanostructures nécessaires à l'élaboration de telles sources de rayonnement dans l'ultraviolet extrême.

Ce projet vise à étudier l'intégration de la plasmonique dans la conception des nanodispositifs à base de graphène. Le projet a en particulier pour objectif de trouver des méthodes permettant d'intégrer directement des réseaux plasmoniques ou d'autres architectures à nanoéchelle dans des nanostructures électroniques (p. ex., pour des transistors à effet de champ au graphène) afin de fabriquer de nouveaux matériaux et de nouveaux dispositifs qui exploitent les propriétés récemment découvertes du graphène.

La spectrométrie de masse est le summum des techniques modernes d'analyse des produits chimiques. Imaginez qu'une telle technique puisse passer du laboratoire au particulier, sous la forme d'un instrument portable permettant par exemple à chacun d'analyser son haleine pour dépister d'éventuelles maladies. Les nanodispositifs optomécaniques pourraient permettre d'y parvenir s'ils sont capables de fonctionner dans les conditions ambiantes à l'échelle d'un Dalton (une unité de masse atomique). Pour atteindre cet objectif, les chercheurs prévoient exploiter les propriétés des nanosystèmes optomécaniques quantiques à base de diamants à haute densité d'énergie et tirer parti d'une importante découverte récente montrant que la sensibilité augmente avec l'amortissement.

Les mastocytes jouent un rôle distinct et central dans la réponse immunitaire innée en sécrétant rapidement une myriade de médiateurs de l'inflammation en réponse à une stimulation. Les chercheurs ont d'ores et déjà montré qu'une matrice autoassemblée de peptides pouvait être utilisée pour activer in vivo des mastocytes humains dans la peau par contact direct. Dans le cadre de cette nouvelle étape, ils prévoient de concevoir un matériau intelligent qui répondra à l'activation des mastocytes en libérant de manière contrôlée des médicaments capables de modifier les mastocytes. Sera ainsi créé un matériau qui communiquera avec les cellules immunitaires et leur répondra de manière chronologique et particulière pour chaque site.

Les électrodes nanostructurées sont des éléments essentiels de l'amélioration des systèmes de stockages de l'énergie électrique, mais elles sont difficiles à caractériser. Dans le cadre du présent projet, les chercheurs tireront parti de l'expertise présente au CNRC et à l'Université de l'Alberta pour mettre au point et intégrer une trousse d'outils de caractérisation in situ puis mesurer, corréler et expliquer l'évolution des propriétés des nanomatériaux durant le fonctionnement des dispositifs. Ce projet vise à identifier et à distinguer les propriétés dépendant des techniques utilisées (préparation et mesure) des propriétés intrinsèques des matériaux pour soutenir les travaux de recherche in silico et le développement commercial des technologies axées sur le stockage de l'énergie.

Les photopiles organiques et hybrides à base de pérovskite présentent un énorme intérêt à cause du faible coût prévu pour leur fabrication. Les deux familles de dispositifs sont très prometteuses pour le secteur des photopiles, mais il reste des difficultés à surmonter en matière de choix des matériaux ainsi que d'optimisation, de longévité, de mise à l'échelle, de traitement et d'intégration de ces dispositifs. Dans le cadre de ce projet, les chercheurs combinent l'apprentissage‑machine et le pouvoir prédictif des méthodes informatiques modernes développées au CNRC avec des expériences et des ateliers de montage pour obtenir rapidement des architectures et des compositions photovoltaïques idéalisées qui peuvent être aussitôt synthétisées et mises à l'essai.