De nouvelles recherches à l'Université Rice pourraient finalement montrer aux scientifiques le moyen de fabriquer des lots de nanotubes d'un seul type.

Un article dans le journal en ligne Lettres d'examen physique dévoile une formule élégante par le physicien de l'Université Rice Boris Yakobson et ses collègues qui définit l'énergie d'un morceau de graphène coupé à n'importe quel angle.

Yakobson, professeur en génie mécanique et science des matériaux et de chimie, dit que cela seul est important parce que la façon dont le graphène gère l'énergie dépend de l'angle - ou de la chiralité - de son bord, et résoudre ce processus pour les angles impairs a été extrêmement difficile. Mais, il a écrit, la recherche a « des implications profondes dans le contexte de la croissance des nanotubes, offrant des moyens rationnels de contrôler leur symétrie chirale, un objectif alléchant mais jusqu'ici insaisissable."

Le graphène est la forme de carbone à un seul atome d'épaisseur qui est devenue d'un grand intérêt pour son potentiel de révolutionner l'électronique, optique, dispositifs de détection et mécaniques. Comprendre comment cette feuille d'atomes de carbone en forme de grillage transporte l'électricité a fait l'objet d'une étude intense.

Une feuille de graphène avec des bords en zigzag ou en fauteuil s'aligne bien. Les zigzags sont métalliques, les fauteuils sont des semi-conducteurs, et leurs atomes marchent en rang, régulièrement espacés, le long des bords. Une rotation complète de 30 degrés sépare l'un de l'autre.

Mais si les hexagones qui composent une feuille sont décalés de moins de 30 degrés, les atomes le long d'un bord droit sont espacés de manière inégale. "Cela rend l'analyse de l'énergie très compliquée, parce que c'est une grande structure irrégulière. C'est comme le bruit, " Yakobson a dit. " Nous avons trouvé un moyen de calculer les énergies dans ces angles arbitraires, " il a dit.

Yakobson et ses co-auteurs, Yuanyue Liu, un étudiant diplômé dans son laboratoire, et Alex Dobrinsky, un ancien étudiant diplômé et maintenant chercheur postdoctoral à l'Université Brown, s'est vite demandé comment ces découvertes s'appliquaient aux nanotubes de carbone.

"Il y a autant de façons de rouler du graphène dans un nanotube qu'il y a de façons de rouler un journal, " Yakobson a déclaré. "Le texte peut être aligné sur la circonférence ou courir droit le long de l'axe ou en spirale à un angle."

Alors que rouler un journal le rend difficile à lire, rouler du carbone dans un nanotube permet de "lire" relativement facilement son type - qu'il s'agisse d'un fauteuil ou d'un zigzag ou d'une variation entre les deux. Ce qui est impossible, c'est de contrôler la façon dont le tube va rouler. Le processus a tendance à être bon gré mal gré, laissant aux chercheurs la tâche de séparer les nanotubes dont ils ont besoin de la masse par ultracentrifugation ou d'autres procédures coûteuses.

Yakobson a dit que cela changerait vraiment la donne s'ils le pouvaient, par exemple, cultiver des lots de nanotubes en fauteuil purs à utiliser dans des projets tels que le nanofil quantique en fauteuil (AQW). Comme imaginé par le regretté lauréat du prix Nobel de Rice, Richard Smalley, AQW pourrait révolutionner le réseau électrique du pays en transportant 10 fois plus d'électricité que le cuivre à seulement un sixième du poids.

Le travail de Yakobson peut ouvrir une voie pour le faire. La chiralité d'un nanotube est déterminée par la combinaison des énergies en jeu dans sa nucléation. "Quand il sort à peine de la 'soupe primordiale' de carbone, le bord du tube est essentiellement le même que le bord du graphène, " il a dit.

"En premier, c'est juste une casquette. Il n'y a pas encore de tige. Vous faites frire ces chapeaux dans une poêle, et ils bouillonnent, " a-t-il dit. " La probabilité d'émergence de différentes bulles est contrôlée par l'énergie autour du bord. "

La chiralité du nanotube naissant est définie lorsque les atomes du capuchon s'auto-assemblent un sixième pentagone (nécessaire pour mouler les hexagones en un dôme). « C'est là qu'on peut, Je pense pour la première fois, porter un jugement quantitatif sur la façon dont différentes structures chirales émergent, " a déclaré Yakobson.

Les efforts des chimistes pourraient valoir la peine d'examiner de plus près l'énergie entre le catalyseur et la structure du carbone. "Cela a une certaine promesse, " dit-il. " Si vous pouvez modifier cette préférence, si vous pouvez changer l'énergie du côté du catalyseur, vous changez la préférence de la chiralité. Et puis vous pouvez dire à ces charbons auto-assemblés, « S'il vous plaît, dansez de cette façon ; ne danse pas comme ça.'"

Yakobson espère que les nouveaux travaux aideront à résoudre le problème de longue date de la chiralité des nanotubes. « Depuis près de deux décennies, nous n'avions pas une bonne compréhension de ce processus, " dit-il. " En fait, nous n'avions aucune idée. Je ne dis pas que c'est une solution complète, mais c'est la première fois que nous voyons une approche quantitative, un ordre dans le chaos apparent. C'est juste satisfaisant.

"Le résultat est simple. Nous avons compris le bord du graphène et l'avons relié au Saint Graal des nanotubes, qui est le contrôle de la chiralité."