En raison de leurs propriétés uniques, les nanotubes de carbone à paroi unique ont été suggérés comme un matériau prometteur pour l'électronique, optique et dans d'autres domaines de la science des matériaux. Lorsque des scientifiques de l'Université d'Umea et de l'Université d'Aalto ont tenté d'effectuer une réaction entre de l'hydrogène gazeux et des molécules de fullerène encapsulées dans des nanotubes, quelque chose de très improbable est soudainement apparu possible.

"La chimie à l'échelle nanométrique semble souvent différente de la chimie à l'échelle normale et les nanotubes de carbone offrent des conditions idéales pour l'étude des réactions dans le nanoespace, " dit Alexandr Talyzine, professeur au Département de physique, Université d'Umeå.

L'approche standard pour faire des réactions chimiques à l'intérieur de nanotubes de carbone à paroi simple, SWNT, est de remplir l'espace intérieur avec des molécules (par exemple, des fullerènes, formant ainsi ce qu'on appelle des peapods) et les faire réagir les uns avec les autres.

Les parois des nanotubes protégeront alors les molécules encapsulées de l'espace et rendront impossibles les réactions avec les molécules et les atomes à l'extérieur du tube. Une fois les SWNT remplis de C 60 molécules, il n'y a pas assez d'espace pour les molécules d'hydrogène. C'était l'opinion commune lorsque les groupes de recherche ont commencé leurs expériences il y a quelques années.

Mais leurs expériences ne laissent aucun doute, l'hydrogène pénètre effectivement dans les pois et réagit avec les fullerènes. La preuve est plutôt directe, lorsque la température et la pression d'hydrogénation sont portées à des valeurs extrêmes, la cage de fullerène s'effondre complètement et de grosses molécules d'hydrogène se forment. Ceci a été confirmé à la fois par spectroscopie Raman et MET haute résolution.

L'étude fournit un autre exemple que les réactions chimiques dans les nanoréacteurs ne sont pas toujours les mêmes que dans des conditions « normales ». Dans une structure tridimensionnelle, les molécules peuvent réagir avec leurs voisines dans toutes les directions possibles, en haut, vers le bas, droit, à gauche etc.

"À l'intérieur des nanotubes de carbone, la molécule de fullerène n'a que deux voisins, disons à droite et à gauche. De la même manière, la réaction avec l'hydrogène est également limitée à une dimension, " dit Alexandr Talyzine.

Un grand avantage est que même des molécules simples à l'intérieur des SWNT peuvent être observées en utilisant la microscopie électronique à haute résolution, quelque chose d'extrêmement difficile pour les poudres en vrac, il ajoute. Des images de haute qualité recueillies à l'Université Aalto ont permis aux scientifiques d'observer non seulement l'effondrement induit par l'hydrogène de C60, mais aussi la coalescence de molécules entraînée par l'hydrogène en polymères et tubules en chaîne.

"Ce que nous avons appris est un résultat plutôt général pour la nanochimie. Nous avons maintenant la preuve directe que les molécules à l'intérieur des SWNts peuvent réagir avec des gaz. Cela ouvre d'énormes possibilités pour la synthèse de nouveaux matériaux hybrides et la modification chimique des molécules et matériaux encapsulés, " dit Alexandr Talyzine.