Comme une girafe s’étirant pour les feuilles d’un grand arbre, faire en sorte que les nanotubes de carbone atteignent la nourriture à mesure qu’ils grandissent peut conduire à une percée longtemps recherchée.
Les théoriciens des matériaux Boris Yakobson et Ksenia Bets de la George R. Brown School of Engineering de l’Université Rice montrent comment l’imposition de contraintes sur la croissance des nanotubes pourrait faciliter un « Saint Graal » de lots en croissance avec une seule chiralité souhaitée.
Leur papier dans Avancées scientifiques décrit une stratégie par laquelle la contrainte de la charge d’alimentation en carbone dans un four aiderait à contrôler la croissance « en cerf-volant » des nanotubes. Dans cette méthode, le nanotube commence à se former au niveau du catalyseur métallique sur un substrat, mais soulève le catalyseur au fur et à mesure de sa croissance, ressemblant à un cerf-volant sur une corde.
Les parois des nanotubes de carbone sont essentiellement du graphène, son réseau hexagonal d’atomes enroulés dans un tube. La chiralité fait référence à la façon dont les hexagones sont inclinés dans le réseau, entre 0 et 30 degrés. Cela détermine si les nanotubes sont métalliques ou semi-conducteurs. La capacité de faire croître de longs nanotubes dans une seule chiralité pourrait, par exemple, permettre la fabrication de fibres de nanotubes hautement conductrices ou de canaux semi-conducteurs de transistors.
Normalement, les nanotubes se développent de manière aléatoire avec des parois simples et multiples et diverses chiralités. C’est bien pour certaines applications, mais beaucoup ont besoin de lots « purifiés » qui nécessitent une centrifugation ou d’autres stratégies coûteuses pour séparer les nanotubes.
Les chercheurs ont suggéré que le gaz de charge de carbone chaud alimenté par des buses mobiles pourrait effectivement conduire à la croissance des nanotubes tant que le catalyseur reste actif. Parce que les tubes avec des chiralités différentes se développent à des vitesses différentes, ils pourraient alors être séparés par longueur, et les types à croissance plus lente pourraient être complètement éliminés.
Une étape supplémentaire qui consiste à graver certains des nanotubes pourrait alors permettre de récolter des chiralités spécifiques, ont-ils déterminé.
Les travaux du laboratoire pour définir les mécanismes de croissance des nanotubes les ont amenés à se demander si la vitesse de croissance en fonction de la chiralité des tubes individuels pourrait être utile. L’angle des « plis » dans les bords des nanotubes en croissance détermine leur capacité énergétique à ajouter de nouveaux atomes de carbone.
« Les particules de catalyseur se déplacent à mesure que les nanotubes se développent, et c’est particulièrement important », a déclaré l’auteur principal Bets, chercheur dans le groupe de Yakobson. « Si votre matière première continue de s’éloigner, vous obtenez une fenêtre mobile où vous alimentez certains tubes et pas les autres. »
La référence du journal aux girafes de Lamarck — un 19eLa théorie du siècle dernier sur la façon dont ils ont évolué avec de si longs cous n’est pas entièrement hors du champ gauche, a déclaré Bets.
« Cela fonctionne comme une métaphore parce que vous éloignez vos » feuilles « et les tubes qui peuvent l’atteindre continuent de croître rapidement, et ceux qui ne peuvent pas simplement mourir », a-t-elle déclaré. « Finalement, tous les nanotubes qui sont juste un tout petit peu lents ‘mourront' ».
La vitesse n’est qu’une partie de la stratégie. En fait, ils suggèrent que les nanotubes un peu plus lents devraient être la cible pour assurer une récolte de chiralités uniques.
Étant donné que les nanotubes de chiralités différentes se développent à leur propre rythme, un lot présenterait probablement des niveaux. La gravure chimique des nanotubes les plus longs les dégraderait, préservant le niveau suivant de tubes. La restauration de la matière première pourrait alors permettre aux nanotubes de deuxième niveau de continuer à croître jusqu’à ce qu’ils soient prêts à être éliminés, a déclaré Bets.
« Il existe trois ou quatre études en laboratoire qui montrent que la croissance des nanotubes peut être inversée, et nous savons également qu’elle peut être redémarrée après la gravure », a-t-elle déclaré. « Donc, toutes les parties de notre idée existent déjà, même si certaines d’entre elles sont délicates. Proche de l’équilibre, vous aurez la même proportionnalité entre les vitesses de croissance et de gravure pour les mêmes tubes. Si tout est beau et propre, alors vous pouvez absolument , choisissez avec précision les tubes que vous ciblez. »
Le laboratoire Yakobson ne les fabriquera pas, car il se concentre sur la théorie et non sur l’expérimentation. Mais d’autres laboratoires ont transformé les anciennes théories de Rice en produits comme les buckyballs au bore.
« Je suis presque sûr que chacun de nos examinateurs était des expérimentateurs, et ils n’ont vu aucune contradiction dans son fonctionnement », a déclaré Bets. « Leur seul reproche, bien sûr, était qu’ils aimeraient des résultats expérimentaux en ce moment, mais ce n’est pas ce que nous faisons. »
Elle espère que plus que quelques laboratoires relèveront le défi. « En termes scientifiques, il est généralement plus avantageux de donner des idées à la foule », a déclaré Bets. « De cette façon, ceux qui sont intéressés peuvent le faire dans 100 variantes différentes et voir laquelle fonctionne. Un gars qui essaie cela peut prendre 100 ans. »
Yakobson a ajouté: « Nous ne voulons pas être ce » gars « . Nous n’avons pas beaucoup de temps. »
Yakobson est professeur d’ingénierie Karl F. Hasselmann et professeur de science des matériaux, de nano-ingénierie et de chimie.
La National Science Foundation (1605848) et la Robert Welch Foundation (C-1490) ont soutenu la recherche.
