Une image au microscope électronique à transmission haute résolution montrant des nanotubes d'oxyde de zinc creux avec un réseau monocristallin. Crédit :Song Jin, L'universite de Wisconsin-Madison
(PhysOrg.com) -- Les scientifiques n'ont aucun problème à créer une ménagerie d'objets de taille nanométrique -- fils, tuyaux, ceintures, et même des structures arborescentes. Ce qu'ils ont parfois été incapables de faire, c'est d'expliquer précisément comment ces objets se forment dans les chaudrons de vapeur et de liquide dans lesquels ils sont fabriqués.
Maintenant, une équipe dirigée par Song Jin, chimiste de l'Université du Wisconsin-Madison, écrit cette semaine (23 avril, 2010) dans la revue Science , montre qu'un simple défaut cristallin connu sous le nom de "dislocation de vis" entraîne la croissance de nanotubes d'oxyde de zinc creux de quelques millionièmes de centimètre d'épaisseur.
La découverte est importante car elle fournit un nouvel aperçu des processus qui guident la formation des plus petites structures fabriquées, un défi important dans les nanosciences et les nanotechnologies. "Nous pensons que ce travail fournit un cadre théorique général pour contrôler la croissance des nanofils ou des nanotubes sans utiliser de catalyseurs métalliques qui peuvent être généralement applicables à de nombreux matériaux, " dit Jin, un professeur de chimie UW-Madison.
De tels matériaux et les structures lilliputiennes que les scientifiques sculptent ont déjà trouvé de larges applications dans des domaines tels que l'électronique, énergie solaire, batterie et technologie laser, et la détection chimique et biologique. En élargissant encore la théorie de la formation des minuscules structures, il devrait maintenant être possible pour les scientifiques de développer de nouvelles méthodes pour produire en masse des objets de taille nanométrique en utilisant une variété de matériaux différents.
Une image au microscope électronique à transmission à basse résolution montrant un nanotube d'oxyde de zinc creux. Crédit :Song Jin, L'universite de Wisconsin-Madison
La méthode décrite par Jin et ses collègues dépend de ce que les scientifiques appellent une luxation vissée. Les dislocations sont fondamentales pour la croissance et les caractéristiques de tous les matériaux cristallins. Comme leur nom l'indique, ces défauts incitent à la création d'étapes en spirale sur une face de cristal par ailleurs impeccable. Alors que les atomes se posent à la surface du cristal, ils forment une structure étonnamment similaire en apparence aux rampes en spirale des structures de stationnement à plusieurs étages. Dans des travaux antérieurs, Jin et son groupe de recherche ont montré que les dislocations de vis entraînent la croissance de structures de nanofils unidimensionnels qui ressemblent à de minuscules pins. Cette, dit Jin, était un indice essentiel pour comprendre la cinétique de la croissance spontanée des nanotubes.
La clé pour comprendre comment exploiter le défaut pour fabriquer des nanostructures de manière rationnelle, Jin explique, est de savoir que lorsque les atomes se rassemblent à la surface d'une spirale de dislocation, la contrainte associée aux dislocations de vis s'accumule dans les structures minuscules qu'elles créent.
Il s'avère que "rendre la structure creuse et la faire tordre sont deux bons moyens de soulager une telle tension et stress, " Explique Jin. " Dans certains cas, la grande énergie de déformation de dislocation de vis contenue dans le nanomatériau impose que le matériau creuse son centre autour de la dislocation, entraînant ainsi la formation spontanée de nanotubes."
Une illustration schématique montrant la formation de nanotubes entraînés par des dislocations de vis. Crédit :Song Jin, L'universite de Wisconsin-Madison
Le phénomène décrit dans le nouveau travail du Wisconsin diffère de manière significative des mécanismes traditionnels de fabrication de nanostructures creuses. Les scientifiques utilisent maintenant des modèles pour « mouler » des nanotubes ou, alternativement, un processus de diffusion pour convertir un matériau en un autre avec un noyau creux. Des nanotubes de carbone sont fabriqués, essentiellement, en enroulant une seule couche d'atomes de carbone en nid d'abeille.
Les phénomènes décrits par l'équipe du Wisconsin, Jin ajoute, devrait s'appliquer à des matériaux autres que l'oxyde de zinc :« La compréhension de la formation des nanotubes nous aidera certainement à comprendre les phénomènes connexes dans d'autres matériaux. »
Raffiné, les nouvelles connaissances pourraient finalement être tournées à grande échelle, production à faible coût de nanomatériaux pour une large gamme d'applications. Le plus prometteur, dit Jin, est le domaine des énergies renouvelables où de grandes quantités de ces matériaux peuvent être déployées pour convertir la lumière du soleil en électricité, et fournir de nouvelles matières premières pour les électrodes de batterie et les dispositifs thermoélectriques.
