Voici une vue d'artiste du nouveau nanocâble coaxial de l'Université Rice, qui est environ mille fois plus petit qu'un cheveu humain. Crédit :Zheng Liu/Université du riz
Grâce à un peu de sérendipité, des chercheurs de l'Université Rice ont créé un minuscule câble coaxial qui est environ mille fois plus petit qu'un cheveu humain et a une capacité plus élevée que les microcondensateurs précédemment rapportés.
Le nanocâble, qui est décrit cette semaine dans Communication Nature , a été produit avec des techniques pionnières dans le domaine de la recherche naissante sur le graphène et pourrait être utilisé pour construire des systèmes de stockage d'énergie de nouvelle génération. Il pourrait également être utilisé pour câbler des composants de processeurs de laboratoire sur puce, mais sa découverte est due en partie au hasard.
« Nous ne nous attendions pas à créer cela lorsque nous avons commencé, " a déclaré le co-auteur de l'étude Jun Lou, professeur agrégé de génie mécanique et de science des matériaux à Rice. « Au départ, nous étions juste curieux de voir ce qui se passerait électriquement et mécaniquement si nous prenions de petits fils de cuivre appelés interconnexions et les recouvrions d'une fine couche de carbone."
Le petit câble coaxial est remarquablement similaire dans sa composition à ceux qui transportent les signaux de télévision par câble dans des millions de foyers et de bureaux. Le cœur du câble est un fil de cuivre solide entouré d'une fine gaine d'oxyde de cuivre isolant. Une troisième couche, un autre conducteur, entoure ça. Dans le cas des câbles TV, la troisième couche est à nouveau en cuivre, mais dans le nanocâble, il s'agit d'une fine couche de carbone mesurant à peine quelques atomes d'épaisseur. Le nanocâble coaxial est d'environ 100 nanomètres, ou 100 milliardièmes de mètre, large.
Alors que le câble coaxial est un pilier des télécommunications à large bande, les trois couches, La structure métal-isolant-métal peut également être utilisée pour construire des dispositifs de stockage d'énergie appelés condensateurs. Contrairement aux piles, qui reposent sur des réactions chimiques pour stocker et fournir de l'électricité, les condensateurs utilisent des champs électriques. Un condensateur contient deux conducteurs électriques, l'un négatif et l'autre positif, qui sont séparés par une fine couche d'isolant. La séparation des conducteurs de charge opposée crée un potentiel électrique, et ce potentiel augmente à mesure que les charges séparées augmentent et que la distance entre elles - occupée par la couche isolante - diminue. La proportion entre la densité de charge et la distance de séparation est appelée capacité, et c'est la mesure standard de l'efficacité d'un condensateur.
L'étude rapporte que la capacité du nanocâble est au moins 10 fois supérieure à ce qui serait prédit avec l'électrostatique classique.
"L'augmentation est très probablement due aux effets quantiques qui surviennent en raison de la petite taille du câble, " a déclaré le co-auteur de l'étude Pulickel Ajayan, Benjamin M. et Mary Greenwood Anderson de Rice, professeur de génie mécanique et de science des matériaux.
L'équipe de scientifiques des matériaux qui a créé le nanocâble coaxial de Rice comprenait (de gauche à droite) Pulickel Ajayan, Jun Lou, Zheng Liu et Robert Vajtai. CRÉDIT :Jeff Fitlow/Université Rice
Les laboratoires de Lou et d'Ajayan se spécialisent chacun dans la fabrication et l'étude de matériaux et de nanodispositifs à l'échelle nanométrique qui présentent ces types d'effets quantiques intrigants, mais Ajayan et Lou ont dit qu'il y avait un élément de chance dans la découverte du nanocâble.
Lorsque le projet a démarré il y a 18 mois, Le chercheur postdoctoral Rice Zheng Liu, le co-auteur principal de l'étude, destiné à fabriquer des fils de cuivre pur recouverts de carbone. Les techniques de fabrication des fils, qui ne font que quelques nanomètres de large, sont bien établies car les fils sont souvent utilisés comme « interconnexions » dans l'électronique de pointe. Liu a utilisé une technique connue sous le nom de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) pour recouvrir les fils d'une fine couche de carbone. La technique CVD est également utilisée pour faire croître des feuilles de carbone à un seul atome d'épaisseur appelée graphène sur des films de cuivre.
"Quand les gens fabriquent du graphène, ils veulent généralement étudier le graphène et ils ne sont pas très intéressés par le cuivre, " dit Lou. "C'est juste utilisé une plate-forme pour faire le graphène."
Lorsque Liu a effectué des tests électroniques sur ses premiers échantillons, les résultats étaient loin de ce à quoi il s'attendait.
"Nous avons finalement découvert qu'une fine couche d'oxyde de cuivre - qui sert de couche diélectrique - se formait entre le cuivre et le carbone, " dit Liu.
En examinant de plus près d'autres études, l'équipe a découvert que quelques autres scientifiques avaient mentionné l'oxydation se produisant sur les substrats de cuivre lors de la production de graphène.
"C'est assez bien documenté, mais nous n'avons trouvé personne qui ait fait un examen détaillé des propriétés électroniques d'interfaces aussi complexes, " dit Ajayan.
La capacité du nouveau nanocâble peut atteindre 143 microfarads par centimètre carré, mieux que les meilleurs résultats précédents des microcondensateurs.
Lou a déclaré qu'il serait peut-être possible de construire un dispositif de stockage d'énergie à grande échelle en disposant des millions de minuscules nanocâbles côte à côte dans de grands réseaux.
"Le câble nanométrique pourrait également être utilisé comme ligne de transmission pour les signaux radiofréquence à l'échelle nanométrique, ", a déclaré Liu. "Cela pourrait être utile en tant que bloc de construction fondamental dans les systèmes électromécaniques de taille micro et nanométrique comme les dispositifs de laboratoire sur puce."
