(PhysOrg.com) -- Alors que de nombreux laboratoires tentent de synthétiser efficacement de grandes feuilles de graphène bidimensionnelles, une équipe de chercheurs suédois et britanniques étudie la synthèse de très fines bandes de graphène de quelques atomes de large. Contrairement au graphène, ces nanorubans de graphène ont une structure électronique unique incluant une bande interdite non nulle, ce qui en fait des candidats prometteurs pour les applications des semi-conducteurs. Mais, comme pour les feuilles de graphène, l'un des plus grands défis pour l'instant est de trouver un moyen de synthétiser efficacement ces nanorubans de graphène.

Dans leur étude, les chercheurs Jonas Björk et Sven Stafström de l'Université de Linköping en Suède et Felix Hanke de l'Université de Liverpool au Royaume-Uni ont utilisé un puissant superordinateur de l'Université de Linköping pour étudier comment les nanorubans de graphène se développent à partir d'un polymère d'anthracène sur un substrat d'or. Les résultats de leur étude sont publiés dans un numéro récent de la Journal de l'American Chemical Society .

Les scientifiques ont découvert que, dans le processus de croissance de nanoruban le plus probable, le substrat d'or agit comme plus qu'un simple support où la réaction peut avoir lieu. L'or catalyse en fait la réaction en attirant les atomes d'hydrogène du polymère d'anthracène (qui est composé de cycles benzéniques) pour se lier à la surface de l'or, initier la première étape de la réaction. Dans ce processus de « déshydrogénation », deux atomes d'hydrogène de chaque unité du polymère d'anthracène sont transférés à la surface d'or, laissant derrière lui une liaison carbone-carbone. La liaison carbone-carbone fait partie du réseau en nid d'abeille du graphène. Pendant ce temps, les atomes d'hydrogène sont libérés de la surface de l'or par désorption dans le vide.

Le supercalculateur a également révélé que cette réaction de déshydrogénation se répète en raison des effets de la coopérativité positive :lorsqu'une unité polymère a un voisin qui a une liaison carbone-carbone, sa probabilité de subir la même réaction et d'acquérir sa propre liaison carbone-carbone augmente. Le résultat est que la réaction, qui commence à une extrémité du polymère, se propage unité par unité dans tout le polymère à la manière d'un domino. Au bout de quelques minutes, le polymère entier est transformé en un nanoruban de graphène bien défini avec une largeur de sept atomes de carbone.

Comprendre comment les nanorubans de graphène sont synthétisés de cette manière est un processus complexe à l'échelle moléculaire qui ne peut être décrypté en détail que par de puissants superordinateurs. Bien qu'il existe quelques autres voies de réaction que la réaction pourrait prendre, les chercheurs ont calculé que cette réaction est très fortement favorisée par rapport aux autres :Ils ont estimé que 10, 000 réactions procèdent par cette voie que par la deuxième réaction la plus favorable. La compréhension de la réaction permettra aux chercheurs d'identifier la meilleure méthode de fabrication pour les futures expériences et développements.

« C’est une question sur la façon de construire des matériaux, soit « de bas en haut » (synthèse à partir de ses constituants) ou « de haut en bas » (prendre quelque chose de plus gros et le couper à la taille), " Hanke a dit PhysOrg.com . « L'approche ascendante dans l'approche des nanorubans de graphène est très intéressante car elle nous permet de partir de la limite de taille ultime pour un matériau (un atome, ou, dire, une petite molécule), puis ajoutez seulement les morceaux qui sont vraiment, vraiment besoin. De plus, cela nous permet également de fabriquer des nanorubans de graphène qui ont toujours la même largeur de, dire, sept Angströms (7x10 ^-dix m), simplement en s'assurant que les ingrédients ne sont que du polyanthracène et rien de beaucoup plus gros. Cela semble banal, mais il est en fait très difficile à réaliser dans les approches descendantes, en particulier si la précision atomique est souhaitée.

Les applications des nanorubans de graphène (et du graphène lui-même) en sont encore à leurs balbutiements, mais leurs propriétés rendent les matériaux prometteurs. Des études antérieures ont montré que le contrôle des largeurs et des structures de bord des nanorubans de graphène peut ajuster les propriétés électroniques des rubans, ce qui pourrait conduire à l'électronique moléculaire comme les transistors. En acquérant une meilleure compréhension de la croissance des nanorubans de graphène, incluant le rôle catalytique du substrat d'or et l'effet domino de la réaction, les scientifiques ont fait un pas de plus vers cette future technologie.

« Le principal battage publicitaire derrière les nanorubans de graphène est que vous devriez pouvoir les utiliser pour des applications de semi-conducteurs, ce qui est dû à leur structure électronique hautement souhaitable qui est différente de la structure électronique du graphène, », a déclaré Hanke. « La beauté des nanorubans de graphène est que leur réponse électronique est déterminée simplement par leur forme. Par conséquent, être capable de comprendre et de construire des nanorubans de graphène de manière contrôlée est un processus très important pour le développement continu de l'électronique. En particulier pour les nanorubans à base d'anthracène, nous avons une largeur qui est encore environ 30 fois plus petite que ce qui est disponible dans l'électronique actuelle à base de semi-conducteurs.

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