Nanotubes de carbone -- longs, cylindres creux de carbone milliardièmes de mètre de diamètre - ont de nombreuses utilisations potentielles en nanotechnologie, optique, électronique, et bien d'autres domaines. Les propriétés exactes des nanotubes dépendent de leur structure, et les scientifiques ont encore peu de contrôle sur cette structure, qui est déterminé lors de la formation initiale - ou croissance - des nanotubes. En réalité, dit l'ingénieur chimiste et scientifique des matériaux Eray Aydil de l'Université du Minnesota, "nous ne savons pas précisément comment les nanotubes se développent."
Dans un article paru dans le Journal of Applied Physics de l'American Institute of Physics, Aydil, professeur de génie chimique et de science des matériaux et titulaire de la chaire Ronald L. et Janet A. Christenson en énergies renouvelables, et ses collègues ont jeté un nouvel éclairage sur le processus. En particulier, les chercheurs ont examiné l'influence de l'hydrogène gazeux.
"Les nanotubes de carbone se développent à partir d'une particule de catalyseur métallique qui est immergée dans un gaz comme le méthane, " explique Aydil. " Parfois, de l'hydrogène gazeux est également ajouté et il a été constaté qu'un peu d'hydrogène aide à faire croître des nanotubes de carbone avec de belles parois droites et avec peu de défauts. Cependant, trop d'ajout d'hydrogène donne des fibres à parois épaisses, au lieu de nanotubes, ou pas de croissance du tout."
Pour comprendre pourquoi, Aydil et ses collègues ont utilisé la microscopie électronique à transmission et d'autres méthodes pour systématiquement imager et caractériser les effets des concentrations croissantes d'hydrogène. "Il s'avère que les catalyseurs fer-métal se transforment en carbure de fer en réagissant avec le carbone du méthane. Le carbure de fer est un matériau dur qui ne se déforme pas facilement, et les nanotubes de carbone issus de tels catalyseurs ont tendance à avoir de belles parois droites, " il dit.
L'ajout de plus d'hydrogène au mélange transforme le carbure de fer en fer - qui est plus malléable et ductile, et " se déforme en des formes qui donnent lieu à des structures plus fibreuses plutôt qu'à des nanotubes de carbone creux, " dit-il. À des concentrations plus élevées, l'hydrogène grave les nanotubes de carbone en formation, "et la croissance s'arrête tous ensemble. C'est l'interaction de l'hydrogène avec les catalyseurs et son effet sur la structure du catalyseur qui contrôle la structure des nanotubes de carbone."
