Le carbone élémentaire apparaît sous de nombreuses formes, y compris le diamant, fullerènes et graphène, qui ont une structure unique, électronique, mécanique, transport et propriétés optiques offrant un large éventail d'applications en physique, chimie et science des matériaux. Il s'agit notamment des matériaux composites, dispositifs électroluminescents à l'échelle nanométrique et matériaux de récupération d'énergie.

Au sein de la « famille du carbone, " seulement carbyne, une forme véritablement unidimensionnelle de carbone, n'a pas encore été synthétisé alors qu'il est étudié depuis plus de 50 ans. Son extrême instabilité dans les conditions ambiantes rendait difficile la preuve expérimentale finale de son existence. Une collaboration internationale de chercheurs a développé une nouvelle voie pour la production en masse de chaînes carbonées composées de plus de 6, 400 atomes de carbone en utilisant mince, nanotubes de carbone à double paroi comme hôtes protecteurs pour les chaînes.

Ces résultats sont publiés dans la revue Matériaux naturels et représentent un élégant précurseur vers l'objectif final de la production en vrac de carbyne. Outre les applications potentielles, ces résultats ouvrent la possibilité de répondre à des questions fondamentales sur les corrélations électroniques, interactions électron-phonon et transitions de phase quantiques dans les matériaux unidimensionnels.

Même sous sa forme élémentaire, la grande polyvalence de liaison du carbone donne de nombreux matériaux bien connus, notamment le diamant et le graphite. Une seule couche de graphite, appelé graphène, peut être roulé ou plié en nanotubes de carbone ou fullerènes, respectivement. À ce jour, Des prix Nobel ont été décernés pour des travaux fondamentaux sur le graphène (2010) et les fullerènes (1996). Bien que l'existence de carbone acétylénique linéaire, une chaîne carbonée infiniment longue appelée aussi carbyne, a été proposé en 1885 par Adolf von Baeyer, qui a reçu un prix Nobel pour ses contributions globales à la chimie organique en 1905, les scientifiques n'ont pas encore été en mesure de synthétiser ce matériau. Von Baeyer a même suggéré que carbyne resterait insaisissable, car sa grande réactivité conduirait toujours à sa destruction immédiate. Néanmoins, des chaînes carbonées de longueur croissante ont été synthétisées avec succès au cours des 50 dernières années.

Jusque là, le détenteur du record est une chaîne composée d'environ 100 atomes de carbone (2003). Ce record est désormais dépassé d'un facteur 50 avec la première démonstration de chaînes à l'échelle micrométrique, signalé dans Matériaux naturels aujourd'hui. Des chercheurs de l'Université de Vienne dirigés par Thomas Pichler ont développé une approche nouvelle et simple pour stabiliser les chaînes carbonées d'une longueur record de plus de 6, 400 atomes de carbone.

Ils utilisent l'espace confiné à l'intérieur d'un nanotube de carbone à double paroi comme nanoréacteur pour faire croître des chaînes de carbone ultra-longues à grande échelle. L'existence des chaînes a été confirmée sans ambiguïté par l'utilisation d'une multitude d'outils sophistiqués, méthodes complémentaires. Ceux-ci incluent l'utilisation en fonction de la température, spectroscopie Raman en champ proche et lointain avec différents lasers (pour l'étude des propriétés électroniques et vibrationnelles), spectroscopie électronique en transmission à haute résolution (pour l'observation directe du carbyne à l'intérieur des nanotubes de carbone) et diffusion des rayons X (pour la confirmation de la croissance de la chaîne en vrac). "La preuve expérimentale directe de chaînes carbonées linéaires ultra-longues confinées, qui sont deux ordres de grandeur plus longs que les chaînes prouvées les plus longues jusqu'à présent, sont une étape prometteuse vers l'objectif final de démêler le Saint Graal des allotropes de carbone véritablement 1D, carbyne, " explique Lei Shi, premier auteur de l'article.

Carbyne est très stable à l'intérieur des nanotubes de carbone à double paroi. Cette propriété est cruciale pour son application éventuelle dans les futurs matériaux et dispositifs. Selon des modèles théoriques, les propriétés mécaniques du carbyne dépassent tous les matériaux connus, surpassant à la fois le graphène et le diamant (par exemple, il est 40 fois plus rigide que le diamant, deux fois plus rigide que le graphène et a une résistance à la traction plus élevée que tous les autres matériaux carbonés).

Les propriétés électriques de Carbyne dépendent de la longueur de la chaîne unidimensionnelle, suggérant ainsi de nouvelles applications nanoélectroniques dans le transport de spin quantique et les semi-conducteurs magnétiques, en plus de son attrait général en physique et en chimie. "Ce travail a fourni un exemple d'une collaboration très efficace et fructueuse entre les expériences et la théorie afin de démêler et de contrôler les propriétés électroniques et mécaniques de basse dimension, matériaux à base de carbone. Elle a conduit à la synthèse et à la caractérisation de la chaîne carbonée linéaire la plus longue de tous les temps. Ces résultats fournissent le banc d'essai de base pour des études expérimentales concernant la corrélation électronique et les transitions de phase dynamiques quantiques dans des géométries confinées qui n'étaient pas possibles auparavant. Par ailleurs, les propriétés mécaniques et électroniques du carbyne sont exceptionnelles et suggèrent une multitude de nouvelles possibilités pour la conception de dispositifs nanoélectroniques et optomécaniques, " conclut Angel Rubio.