(Phys.org) —Appliquer juste la bonne quantité de tension à une chaîne d'atomes de carbone peut la transformer d'un conducteur métallique à un isolant, selon les scientifiques de l'Université Rice.

Étirer le matériau connu sous le nom de carbyne, un matériau difficile à fabriquer, chaîne unidimensionnelle d'atomes de carbone - de seulement 3 % peut commencer à modifier ses propriétés d'une manière que les ingénieurs pourraient trouver utile pour l'électronique et l'optique nanométriques activées mécaniquement.

La découverte du physicien théoricien Rice Boris Yakobson et de ses collègues apparaît dans le journal de l'American Chemical Society Lettres nano .

Jusque récemment, carbyne a existé principalement en théorie, bien que les expérimentateurs aient fait des progrès dans la création de petits échantillons du matériau capricieux. La chaîne carbonée serait théoriquement le matériau le plus résistant jamais conçu, si seulement quelqu'un pouvait le faire de manière fiable.

Les calculs du premier principe de Yakobson et de ses co-auteurs, Le chercheur postdoctoral Rice Vasilii Artyukhov et l'étudiant diplômé Mingjie Liu, montrent que l'étirement des chaînes carbonées active le passage du conducteur à l'isolant en élargissant la bande interdite du matériau. Bandes interdites, que les électrons libres doivent surmonter pour boucler un circuit, donner aux matériaux les propriétés semi-conductrices qui rendent possible l'électronique moderne.

Dans leurs précédents travaux sur la carbyne, les chercheurs pensaient avoir vu des indices de la transition, mais ils ont dû creuser plus profondément pour découvrir que l'étirement transformerait efficacement le matériau en un interrupteur.

Chaque atome de carbone a quatre électrons disponibles pour former des liaisons covalentes. Dans leur état détendu, les atomes d'une chaîne carbyne seraient plus ou moins régulièrement espacés, avec deux liens entre eux. Mais les atomes ne sont jamais statiques, en raison de l'incertitude quantique naturelle, ce qui, selon Yakobson, les empêche de glisser dans une distorsion de Peierls moins stable.

"Peierls a dit que les métaux unidimensionnels sont instables et doivent devenir des semi-conducteurs ou des isolants, " dit Yakobson. " Mais ce n'est pas si simple, car il y a deux facteurs déterminants."

Une, la distorsion de Peierls, « veut ouvrir le fossé qui en fait un semi-conducteur. » L'autre, appelée vibration du point zéro (ZPV), "veut maintenir l'uniformité et l'état du métal."

Yakobson a expliqué que le ZPV est une manifestation de l'incertitude quantique, qui dit que les atomes sont toujours en mouvement. "C'est plus un flou qu'une vibration, " a-t-il dit. " Nous pouvons dire que la carbyne représente le principe d'incertitude en action, parce que quand c'est détendu, les liens sont constamment confondus entre 2-2 et 1-3, au point qu'ils s'équilibrent et que la chaîne reste métallique."

Mais étirer la chaîne déplace l'équilibre vers une alternance de liaisons longues et courtes (1-3). Cela ouvre progressivement une bande interdite commençant à environ 3% de tension, selon les calculs. L'équipe Rice a créé un diagramme de phase pour illustrer la relation entre la bande interdite, la déformation et la température.

La façon dont la carbyne est fixée aux électrodes est également importante, dit Artoukhov. "Différents modèles de connectivité de liaison peuvent affecter l'équilibre de l'état métallique/diélectrique et déplacer le point de transition, potentiellement là où il peut ne plus être accessible, " a-t-il dit. " Il faut donc être extrêmement prudent dans la prise de contacts. "

"La structure de Carbonne est une énigme, " dit-il. " Jusqu'à ce que ce papier, tout le monde était convaincu qu'il s'agissait d'un simple triple, avec une obligation longue puis une obligation courte, causé par l'instabilité de Peierls. avec la découverte antérieure de l'équipe selon laquelle la tension peut augmenter la bande interdite et rendre le carbyne plus isolant, a incité la nouvelle étude.

« D'autres chercheurs ont examiné le rôle du ZPV dans les systèmes actifs de Peierls, même carbonne elle-même, avant nous, " Artoukhov a dit. "Cependant, dans toutes les études précédentes, seules deux réponses possibles étaient envisagées :soit « le carbyne est semi-conducteur » ou « le carbyne est métallique, ' et la conclusion, n'importe lequel, était considérée comme une sorte de vérité mathématique intemporelle, un « verdict final » statique. Ce que nous avons réalisé ici, c'est que vous pouvez utiliser la tension pour passer dynamiquement d'un régime à l'autre, ce qui le rend utile à un niveau complètement différent."

Yakobson a noté que les résultats devraient encourager davantage de recherches sur la formation de chaînes de carbyne stables et peuvent s'appliquer également à d'autres chaînes unidimensionnelles soumises à des distorsions de Peierls, y compris les polymères conducteurs et les matériaux à onde de densité de charge/spin.