Les mains dans le Nano Monde 10-9m Présence au delà du perceptible

European Synchrotron Radiation Facility ESRF Joël Chevrier Professeur de Physique Université Joseph Fourier Grenoble

…la matière est une invention, assez imparfaite d’ailleurs, pour nous représenter ce qu’il y a de permanent dans toutes les vicissitudes. La réalité effective, c’est à dire celle qui fait effet sur nous, c’est l’énergie”

Le contact L’interaction je vois Jimmie Durham Stoneheart je touche

Alors il y a évidemment un infiniment grand mais pas de nouveauté dans l’infini petit… La réalité est là…devant moi...directement accessible à mes sens… je suis en prise direct avec le plan ultime de la réalité caractérisée par la continuité ….

…le livre de la nature est écrit en langue mathématique… Ce n’est pas la simplicité pour autant…. …le livre de la nature est écrit en langue mathématique… ...etc etc etc etc….. Equations de Maxwell rot E = -dB/dt div E = r / e0 Newton: mécanique dP/dt = les forces EAU: Equation de Navier Stokes Chaleur : dS > dQ/T trajectoire mouvement dynamique Le Verrier calcule 2 ans à la main…pour pointer Uranus

…il aura été un des derniers à lutter ardemment et avec talent Finalement devant l’abondance de résultats expérimentaux, en 1908, Ostwald enoncera explicitement sa conviction que les atomes existent dans l’introduction de son livre Chimie Générale …il aura été un des derniers à lutter ardemment et avec talent contre les atomes...

séparé, invisible, inaccessible, …un plan de la réalité… séparé, invisible, inaccessible, différent radicalement

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….et ALORS……… ….et ALORS……... “il y a des atomes dans mon café” titre du livre de Pablo Jensen coll. Points Science en vente partout actuellement…. ….et ALORS……... Notre expérience immédiate est controlée par les propriétés des atomes…. … et ce plan de la réalité est inaccessible à nos sens, à notre expérience directe, à notre compréhension…..???

Discret/continu nano/macro forme unique irréversible interaction on fonde la notion d ’objet à notre échelle sur le plan des atomes objet défini et isolé chimie/cohésion rigidité extension spatiale séparation/localisation/séparabilité frontière brutale non pénétrabilité (impénétrable même l’eau) interaction contact frottement collage/chimie contamination/échange usure Mouvement/dynamique TRAJECTOIRE vitesse Discret/continu nano/macro forme unique irréversible

Consequence de l’émergence du plan atomique …. notre corps se trouve coincé dans son échelle…. Seul notre esprit s’abstrait de cette échelle… cela va s’aggraver dans le 20ème siècle….

….avec d’autres changements immenses bien connues aujourd’hui mais si LA MAIN... ...le choc du nanomonde En regardant par la fenêtre... la lumière….les photons indiscernables individuellement impredictibles

Non séparabilité Non localité Pas de trajectoire Objet … ?

Perte de la trajectoire Réaction des étudiants

Flipper TRAJECTOIRE l’électron: un objet? avec électron/photon/atome/neutron/proton TRAJECTOIRE l’électron: un objet?

le contact…. …l’interaction

modification immédiate toujours présente irréversible… Pour un physicien à notre échelle….. un objet isolé 1 touche un objet isolé 2 Définition Modèle Propriétés Concepts Mesures Equations Définition Modèle Propriétés Concepts Mesures Equations …interaction collision attraction/répulsion contact/sans contact déformation chimie/collage chaleur frottement vitesse énergie… le CHAMP électromagnétique modification immédiate toujours présente irréversible… même si cette modification est au plan atomique le contact n’est pas un acte gratuit même en physique

Interaction entre 2 électrons par échange de photons Non localisé réversible échange indiscernabilité inséparable

Dessin impossible... électrons indiscernables

peut il nourrir notre relation à la réalité ? notre imaginaire ? mais où est donc ce Nanomonde ? est il loin ? interagit-il avec nous ? est il intéressant ? peut il nourrir notre relation à la réalité ? notre imaginaire ?

...docteur Brown…. Ostwald abandonne devant quelle évidence??? comment le monde des atomes vient il à nous? ...docteur Brown….

Grain de pollen dans l’eau Observation visuelle (microscope optique) Mouvement frénétique et chaotique: mm Est il loin ?? NON Grain de pollen dans l’eau Observation visuelle (microscope optique) du mouvement éternel et incessant du grain de pollen Jean Perrin en 1900 environ: les atomes existent!!! MAIS…. Pas de perception directe des atomes

En passant du nanomètre au mètre: Rupture discret /continu De l’atome (nano) à l’objet (macro) Couplage/ lien Lieu de l’observation Grain de pollen dans l’eau Mouvement frénétique et chaotique: mm molécules

Nous sommes en lien direct avec ces échelles: Est il loin ?? Nous sommes en lien direct avec ces échelles: Notre quotidien… NON L’activité moléculaire remonte à notre échelle. l’ADN les virus Conséquences: - l’organisation moléculaire de la matière à partir d’un code - et les maladies bien sûr Cliché Reachin Technologies AB www.reachin.se Nano/micro Nucléation Croissance Différentiation macro

définir ma vision du réel Est il loin ?? Il est hors de notre champ perceptif direct agir sur un nanoobjet unique est impossible Vue Toucher Ouïe inopérants Oui Conséquences: Action/mesure instrumentées Pas de perception Description scientifique: Là où mes sens ne vont pas…. …les équations et la mesure iront pour: définir ma vision du réel Image reconstruite: un nanotube de carbone est manipulé à la main 500nm=1/2 micromètre 20 micromètres= diamètre d’un cheveu

Perception Est il loin ?? OUI …..des changements d’échelle nous séparent radicalement du nanomonde!!!! Perception OUI 1 micromètre-1millimètre 1 mètre Une fourmi boit en tenant une petite goutte Je bois Barrière capillaire

L’eau nous prévient… …si nous transférons nos sens dans le nanomonde si nous passons la main dans le nanomonde…. il nous faudra: découvrir apprendre nous éduquer nous habituer, l’habiter ??? être habile action dans le nanomonde: effet à nos échelles???

On veut: - explorer - habiter - rêver - travailler dans Le Nanomonde

Equation de Schrödinger Ainsi on ne veut pas seulement en connaître les lois, les principes élémentaires: Pour l’essentiel c’est déjà fait !!!! Equations de Maxwell rot E = -dB/dt div E = r / e0 Newton: mécanique Equation de Schrödinger iħ dy/dt = H y Principe de Pauli: Confinement e- photon Equation de Navier Stokes: eau Chaleur : dS > dQ/T

… très difficile mais le nanomonde est là je…. touche un objet …moi ma main mon corps un individu parmi d’autres une part de matière organisée, consciente, ouverte, …. …séparation/localisation/séparabilité frontière brutale non pénétrabilité (impénétrable même l’eau) interaction: contact frottement collage contamination/échange usure modification immédiate irréversible… …espace occupé: dehors/dedans matière condensée (i.e. atomes rassemblés) système isolé/ couplage au monde extérieur surface/volume/masse rugosité forme/unique/discernable déformation… … très difficile mais le nanomonde est là

aussi mais moins calme et beaucoup trop compliqué pour moi…. un « je » touche l’autre la rencontre la vie….

localisation/espace/ confinement je le touche…? visualisation??? Nanomanipulateur à retour d’effort  je  touche vois entend un nanoobjet Un nanobjet: C’est quoi…un objet? c’est où…? localisation/espace/ confinement je le touche…? visualisation??? un macroobjet impose sa présence localisée dans l’espace dedans/dehors/forme/impénétrable volume/rigidité/masse/densité contact: répulsion de cœur dur propriété atomique me renvoie l ’unique objet de... vision toucher

Perception/action/création dans un monde nouveau !!! Monde en réduction Cf voyage fantastique de Asimov connaissance abstraite indirecte

Pointe…… ….le bout du doigt D’abord trouver l’accés…. Cliché IEMN Lille http://www.iemn.univ-lille1.fr/sites_perso/microsystem/microsystem.htm D’abord trouver l’accés…. Pointe…… ….le bout du doigt

20um 10um …le doigt complet

Images 5nmx5nm un nanopalpeur un nanooutil

Fe/Cu(111) M.F. Crommie, C.P. Lutz, D.M. Eigler, Science 262 (1993) 218 IBM Yorktown Heigths

à interface haptique et visuelle Un nanopalpeur/nanooutil signifie: un contact direct avec le nanomonde transfert de 0.000000001mètre à 1mètre!!! comment questionne t il notre relation tactile au réel: …Un nanomanipulateur à interface haptique et visuelle

PRESENCE ? Annie Luciani, Joël Chevrier, Daniela Urma, Sylvain Marlière Computer Arts Laboratory Ministère de la culture Institut National Polytechnique LEPES - PicoNewton Group CNRS - Université Joseph Fourier Institut National Polytechnique Grenoble - France distant, synthetic,cyber, inaccessible worlds sufficiently present or real for us? HOW? ...and why? European Presence Research Conference - A. Luciani Cyberworlds 2003 - Singapour

Computer Sciences and Computer Arts What are the minimal sensori-motor (& modeling) conditions To play with expressiveness a virtual violin? Physics & nanosciences What are the minimal sensori-motor (& modeling) conditions To observe nanoobjects and build them with our hands? Why and how to render sensorial inaccessible physical laws? European Presence Research Conference - A. Luciani Cyberworlds 2003 - Singapour

• • • THAT is the Suspense!!! These two complementary And extreme examples addresse the core question of the Mystery of the Presence that is, in fact, the question of the Absence. But the absence of WHAT ? • • • THAT is the Suspense!!! European Presence Research Conference - A. Luciani

Is Presence a new problem ? At the philosophical level : not The question of the distinction of what is real and non-real an usual question of philosophy Platon Kant etc, etc, etc…. European Presence Research Conference - A. Luciani

European Presence Research Conference - A. Luciani What is new here ? Techno…. instrumental tools experimental level new instruments for new scales in physics new instruments for new human-object interaction in Person-Machine computer interaction (VR / AR / MR)* * Virtual, Augmented, Mixed Reality European Presence Research Conference - A. Luciani

What we observe, today, along this evolution of our instruments to communicate, observe and transform the world Despite the quest of high visual realism In synthetic images, Visual feedback seems often insufficient, to trigger the feeling of Presence 1 Auditive feedback can be better 2 + 1 2 Better, not sufficient, asymptotic feeling of Presence 3 European Presence Research Conference - A. Luciani

What do we oberve, today, with this new instrument + 3 4 Restoring the sense of Reality Very Good, Suddently, Emergence of a Strong piece of Reality + 2 Reinforcing the sense of Reality + 1 European Presence Research Conference - A. Luciani

éducation/apprentissage Pointe-capteur Interactions: nanomonde But du Nanomanipulateur: A partir du capteur: au niveau de Reconstruction multisensorielle de la perception (vue, toucher, ouïe) Définition de la Présence dans le micro/nanomonde action/perception/ éducation/apprentissage

Clichés Sylvain Marlière ICA/ACROE http://www-acroe.imag.fr

Le TGR (Transducteur Gestuel Rétroactif) Caractéristiques de l’interface doigt/machine déterminent les performances de la nanomanipulation @Le TGR est un manipulateur composé de tranches indépendantes (une par degré de liberté) @Chacune est mue par un actionneur électromagnétique et reliée à un capteur de position haute résolution (2m), @ Déplacement vertical de 20 mm et une fréquence de coupure de 10kHz @ Force permanente de 50N, extensible en transitoire jusqu’à 200N pour une vitesse maximale de 2 m/s      Le TGR a été développé par le Laboratoire ICA-ACROE ( http://www-acroe.imag.fr)

D’après  http://www-acroe.imag.fr/mediatheque/mediatheque.html

Contact à l’échelle Nano: …… le champion

zoom sur la patte: et alors?

et alors? Nantechnologie fabrication de nanostructures par lithographie et alors? juillet 2003  

Contact à l’échelle Nano: à mon tour... 1- mesure: courbe approche/retrait 2- je veux contrôler/sentir être aux commandes…. Petits films…..

Peter Zeppenfeld and Don Eigler CO-Man, Peter Zeppenfeld and Don Eigler

Palper / manipuler les électrons toucher un champ - Rendre du réel visible palpable modifiable Palper / manipuler les électrons toucher un champ - Un Champ électrique!!!

Une ou deux Clés: mesure de forces faibles à longue distance entre ces nanoobjets: attractif/répulsif rupture de l ’impénétrabilité (objet de champ électrique/magnétique) pas de frontière-surface brutale/ pas de dedans-dehors NC Contact e-

Substrat matériel: défini par les positions atomiques nanoObjet* sans matière visualisé touché manipulé utilisable *origine: quelques électrons mis à la main sur la surface Objet: existence, extension spatiale, contact dépendent de: l’interaction é avec je à travers le nanomanipulateur et la reconstruction sensorielle numérique

Toucher/Retour d’effort: Reconstruction et simulation multisensorielle de la perception (vue, toucher, ouïe) visualisation/manipulation du CHAMP électrique ???? Toucher/Retour d’effort: Manipulation d’objets non matériels mais visibles et vues !!! 2m Objet…?

dépendent de mes choix, de mes décisions La perception, le toucher, la visualisation de ces nanoobjets dépendent de mes choix, de mes décisions dans la reconstruction des stimuli multisensoriels à partir de la mesure temps réel et in situ de l’interaction avec la pointe …ici la liberté est totale, tous les coups sont permis

- palper un objet (de champ ) pénétrable, pénétrant, définir le contact répulsif avec sa frontière floue à partir d’une interaction attractive (surprenant mais…facile) - objet de lumière à étudier/construire/définir/choisir

et à la fin de l’envoi…… C’est la fin... pardon, mais je suis vidé... au fait peut on toucher le vide…. ... quantique bien sûr OUI NON il faut demander à Casimir

appelée aussi énergie du vide...

Equipe/projet STIC Gulliver (2002) Cet exposé a été présenté par Joël Chevrier Si la responsabilité des propos lui revient, cet exposé n’existerait pas sans la collaboration avec: Equipe/projet STIC Gulliver (2002) ICA/ACROE Annie Luciani Claude Cadoz Jean Lou Florens LEPES Florence Marchi Joël Chevrier LAG Alina Besançon Thèse de Sylvain Marlière (9/2002) Responsables: C.Cadoz, F.Marchi Postdoc ICA/LEPES Daniela Urma (1/2003) financement MENRT MENRT Ministère Culture