Des physiciens de l'Université d'Umea ont trouvé un moyen efficace de synthétiser des nanorubans de graphène directement à l'intérieur de nanotubes de carbone à paroi unique. Le résultat a été récemment publié dans la revue scientifique Nano Letters.
Graphène, un flocon mince d'un atome de carbone ordinaire, possède un large éventail de propriétés inhabituelles et très intéressantes. En tant que conducteur d'électricité, il est aussi performant que le cuivre. En tant que conducteur de chaleur, il surpasse tous les autres matériaux connus. Il existe des possibilités d'obtenir de fortes variations des propriétés du graphène en fabriquant du graphène sous forme de ceintures de différentes largeurs, ce qu'on appelle les nanorubans. Ces nanorubans sont aujourd'hui un véritable centre d'attention en physique et un matériau extrêmement prometteur pour l'électronique, cellules solaires et bien d'autres choses. Cependant, il n'a pas été facile de faire de tels rubans.
Professeur agrégé Alexandr Talyzin et son groupe de recherche au Département de physique, Université d'Umea, avec des collègues du groupe du professeur Esko Kauppinen, Université Aalto en Finlande, ont découvert un moyen d'utiliser l'espace creux à l'intérieur des nanotubes de carbone comme réacteur chimique unidimensionnel pour fabriquer du graphène encapsulé. Une propriété intrigante de cet espace est que les réactions chimiques se produisent ici différemment par rapport aux conditions tridimensionnelles en vrac.
"Nous avons utilisé du coronène et du pérylène, qui sont de grosses molécules organiques, comme blocs de construction pour produire des nanorubans de graphène longs et étroits à l'intérieur des tubes. L'idée d'utiliser ces molécules comme blocs de construction pour la synthèse du graphène était basée sur notre étude précédente, " dit Alexandr Talyzine.
Cette étude a révélé que les molécules de coronène peuvent réagir entre elles dans certaines conditions pour former des dimères, trimères et molécules plus longues sous forme de poudre en vrac. Le résultat a suggéré que les molécules de coronène peuvent éventuellement être utilisées pour la synthèse de graphène, mais doivent être alignées d'une manière ou d'une autre dans un plan pour la réaction requise. L'espace intérieur des nanotubes de carbone à paroi unique semblait être un endroit idéal pour forcer les molécules dans la géométrie bord à bord requise pour la réaction de polymérisation.
Dans la nouvelle étude, les chercheurs montrent que c'est possible. Lorsque les premiers échantillons ont été observés par microscopie électronique par Ilya Anoshkin à l'université d'Aalto, des résultats passionnants ont été révélés :tous les nanotubes ont été remplis à l'intérieur de nanorubans de graphène.
"Le succès des expériences dépendait aussi beaucoup du choix des nanotubes. Des nanotubes de diamètre approprié et de haute qualité ont été fournis par nos co-auteurs de l'Université d'Aalto, " dit Alexandr Talyzine.
Plus tard, les chercheurs ont découvert que la forme des nanorubans de graphène encapsulés peut être modifiée en utilisant différents types d'hydrocarbures aromatiques. Les propriétés des nanorubans sont très différentes selon leur forme et leur largeur. Par exemple, les nanorubans peuvent être métalliques ou semi-conducteurs selon leur largeur et leur type. De façon intéressante, les nanotubes de carbone peuvent également être métalliques, semi-conducteurs (selon leur diamètre) ou isolants lorsqu'ils sont modifiés chimiquement.
"Cela crée un énorme potentiel pour un large éventail d'applications. Nous pouvons préparer des hybrides qui combinent du graphène et des nanotubes dans toutes les combinaisons possibles à l'avenir, " dit Alexandr Talyzine.
Par exemple, les nanorubans métalliques à l'intérieur des nanotubes isolants sont des fils isolés très minces. Ils pourraient être utilisés directement à l'intérieur des nanotubes de carbone pour produire de la lumière, créant ainsi des nano-lampes. Les nanorubans semi-conducteurs peuvent éventuellement être utilisés pour les transistors ou les applications de cellules solaires et la combinaison métal-métallique est en fait un nouveau type de nano-câble coaxial, des câbles macroscopiques de ce type sont utilisés par ex. pour transmettre des signaux radio.
La nouvelle méthode de synthèse hybride est très simple, facilement évolutif et permet d'obtenir près de 100 pour cent de remplissage des tubes avec des nanorubans. Les simulations théoriques, interprété par Arkady Krasheninnikov en Finlande, montrent également que les nanorubans de graphène conservent leurs propriétés uniques à l'intérieur des nanotubes tout en étant protégés de l'environnement par encapsulation et alignés dans des faisceaux de nanotubes à paroi unique.
"Le nouveau matériau semble très prometteur, mais nous avons beaucoup de travail interdisciplinaire devant nous dans le domaine de la physique et de la chimie. Synthétiser le matériel n'est qu'un début. Maintenant, nous voulons apprendre son électrique, propriétés magnétiques et chimiques et comment utiliser les hybrides pour des applications pratiques, " dit Alexandr Talyzine.
