L'électronique devient de plus en plus petite, flirter avec de nouveaux appareils à l'échelle atomique. Cependant, de nombreux scientifiques prédisent que le rétrécissement de notre technologie touche à sa fin. Sans alternative aux technologies à base de silicium, la miniaturisation de notre électronique s'arrêtera. Une alternative prometteuse est le graphène, le matériau le plus fin connu de l'homme. Le graphène pur n'est pas un semi-conducteur, mais il peut être modifié pour afficher un comportement électrique exceptionnel. Trouver les meilleurs nanomatériaux à base de graphène pourrait inaugurer une nouvelle ère de la nanoélectronique, optique, et la spintronique (une technologie émergente qui utilise le spin des électrons pour stocker et traiter des informations dans une électronique exceptionnellement petite).

Les scientifiques de l'Institut polytechnique Rensselaer ont utilisé les capacités de l'un des supercalculateurs universitaires les plus puissants au monde, le Rensselaer Center for Nanotechnology Innovations (CCNI), découvrir les propriétés d'une forme prometteuse de graphène, connu sous le nom de nanowiggles de graphène. Ce qu'ils ont découvert, c'est que les nanorubans graphitiques peuvent être segmentés en plusieurs structures de surface différentes appelées nanowiggles. Chacune de ces structures produit des propriétés magnétiques et conductrices très différentes. Les résultats fournissent un modèle que les scientifiques peuvent utiliser pour littéralement choisir une nanostructure de graphène qui est réglée et personnalisée pour une tâche ou un appareil différent. Le travail fournit une base de connaissances importante sur ces nanomatériaux très utiles.

Les résultats ont été publiés dans la revue Lettres d'examen physique dans un article intitulé "Emergence of Atypical Properties in Assembled Graphene Nanoribbons".

"Les nanomatériaux de graphène ont beaucoup de belles propriétés, mais à ce jour, il a été très difficile de construire des nanostructures de graphène sans défaut. Ces nanostructures difficiles à reproduire ont donc créé une barrière quasi infranchissable entre l'innovation et le marché, " a déclaré Vincent Meunier, le professeur de physique Gail et Jeffrey L. Kodosky '70 Constellation, Informatique, et entrepreneuriat chez Rensselaer. "L'avantage des nanowiggles de graphène est qu'ils peuvent facilement et rapidement être produits très longtemps et proprement." Les nanowiggles n'ont été découverts que récemment par un groupe dirigé par des scientifiques de l'EMPA, La Suisse. Ces nanorubans particuliers sont formés en utilisant une approche ascendante, car ils sont assemblés chimiquement atome par atome. Cela représente une approche très différente du processus de conception de matériau graphène standard qui prend un matériau existant et tente de le découper dans une nouvelle structure. Le processus crée souvent un matériau qui n'est pas parfaitement droit, mais a de petits zigzags sur ses bords.

Meunier et son équipe de recherche ont vu le potentiel de ce nouveau matériau. Les nanowiggles pourraient être facilement fabriqués et modifiés pour afficher des propriétés conductrices électriques exceptionnelles. Meunier et son équipe se sont immédiatement mis au travail pour disséquer les nanowiggles afin de mieux comprendre les applications futures possibles.

"Ce que nous avons trouvé dans notre analyse des propriétés des nanowiggles était encore plus surprenant qu'on ne le pensait auparavant, ", a déclaré Meunier.

Les scientifiques ont utilisé l'analyse informatique pour étudier plusieurs structures de nanowiggle différentes. Les structures sont nommées en fonction de la forme de leurs bords et comprennent un fauteuil, fauteuil/zigzag, zigzag, et zigzag/fauteuil. Toutes les structures de bord de nanoruban ont un aspect ondulant comme une chenille traversant une feuille. Meunier a nommé les quatre structures nanowiggles et chaque wiggle a produit des propriétés exceptionnellement différentes.

Ils ont découvert que les différentes nanowiggles produisaient des bandes interdites très variées. Une bande interdite détermine les niveaux de conductivité électrique d'un matériau solide. Ils ont également découvert que différents nanowiggles présentaient jusqu'à cinq propriétés magnétiques très variées. Avec cette connaissance, les scientifiques pourront régler la bande interdite et les propriétés magnétiques d'une nanostructure en fonction de leur application, selon Meunier.

Meunier aimerait que la recherche éclaire la conception de nouveaux et meilleurs appareils. « Nous avons créé une feuille de route qui peut permettre de construire et de personnaliser facilement des nanomatériaux pour des applications allant du photovoltaïque aux semi-conducteurs et, surtout, spintronique, " il a dit.

En utilisant la CCNI, Meunier a pu réaliser ces calculs sophistiqués en quelques mois.

"Sans CCNI, ces calculs se poursuivraient encore un an plus tard et nous n'aurions pas encore fait cette découverte passionnante. Il est clair que cette recherche est un excellent exemple illustrant le rôle clé du CCNI dans la science fondamentale prédictive, " il a dit.