(Phys.org) -- Les nanotubes écrasés peuvent être mûrs avec de nouvelles possibilités pour les scientifiques, selon une nouvelle étude de l'Université Rice.

Des chercheurs de l'Institut Richard E. Smalley de Rice pour la science et la technologie à l'échelle nanométrique ont mis au point un ensemble de faits et de chiffres sur les nanotubes de carbone qui semblent s'effondrer au cours du processus de croissance; ils ont découvert que ces configurations uniques ont des propriétés à la fois des nanotubes et des nanorubans de graphène.

Ce que les chercheurs appellent des « nanorubans de graphène à bord fermé » pourrait lancer la recherche sur leur utilité dans les applications de l'électronique et des matériaux.

Le travail pionnier mené par Robert Hauge, membre distingué du corps professoral en chimie de Rice, est détaillé dans un article paru en ligne ce mois-ci dans le journal de l'American Chemical Society ACS Nano .

"Un nanotube effondré ressemble beaucoup au graphène au milieu, mais exactement comme les buckyballs (molécules de carbone 60, une découverte lauréate du prix Nobel à Rice) sur les côtés, », a déclaré Hauge. « Cela signifie que vous avez la chimie du graphène au milieu et la chimie des buckyballs sur les bords. Et vous pouvez séparer les deux électroniquement en plaçant des groupes fonctionnels sur les côtés pour isoler les couches supérieure et inférieure.

« Si vous faites de la chimie de bord qui transforme les côtés en isolants, alors le haut ne communique pas avec le bas électroniquement, sauf par une interaction de type van der Waals ou à état excité, " a-t-il dit. "C'est de là que viendront la nouvelle physique et peut-être les propriétés électroniques."

La découverte peut conduire à une croissance sur commande, nanorubans de graphène à deux ou quatre couches avec des bords parfaits, un produit difficile à obtenir en décompressant ou en tranchant autrement des nanotubes. « Le monde du graphène cherche des moyens de fabriquer des rubans bien définis, », a déclaré Hauge. «Ils doivent toujours découper le graphène et se retrouver avec des côtés mal définis qui affectent leurs propriétés électroniques. Ceux-ci ont l'avantage d'un bord beaucoup mieux défini.

La connaissance de Hauge des travaux antérieurs sur l'effondrement des nanotubes l'a amené à étudier le phénomène. « Je me suis intéressé à la culture de nanotubes de plus grand diamètre, basé sur la taille des particules de catalyseur, depuis quelque temps maintenant, " a-t-il dit. "Nous pensions qu'ils pourraient s'effondrer, alors nous avons commencé à chercher les preuves.

L'équipe a constaté que les plis, les torsions et les plis des nanotubes observés au microscope électronique à transmission et mesurés au microscope à force atomique étaient de bons indicateurs de l'effondrement des nanotubes. Ces nanotubes mesuraient environ 0,7 nanomètres de hauteur au milieu et un peu plus au niveau de ce que les chercheurs ont appelé les « ampoules très sollicitées » sur les bords. Mais trouver des tubes aplatis n'indiquait pas comment ils en étaient arrivés là.

Hauge a approché le physicien théoricien Rice Boris Yakobson pour voir comment l'énergie intrinsèque des atomes dans le graphène - l'une de ses spécialités - permettrait un tel effondrement. Yakobson a mis l'étudiant diplômé et co-auteur Ksenia Bets sur l'affaire.

« À l'origine, nous pensions que ce serait un petit problème simple, et cela s'est avéré simple - mais pas si petit, », a déclaré Paris. En utilisant la simulation dynamique moléculaire, elle a adapté les données des expérimentateurs à des modèles atomistiques de nanotubes à paroi unique. « Et puis, en utilisant les mêmes paramètres, J'ai produit des résultats pour les doubles murs, et ils correspondent également exactement aux données expérimentales.

Les résultats rassemblés sur six mois ont confirmé la probabilité qu'à une température de croissance - 750 degrés Celsius - des nanotubes flexibles flottant dans la brise de gaz à l'intérieur d'un four pourraient en effet être induits à s'effondrer. Si deux atomes de chaque côté de la paroi intérieure se rapprochent suffisamment l'un de l'autre, ils peuvent démarrer une cascade de van der Walls qui aplatit le nanotube, Paris dit.

« Au début, il faut de l'énergie pour presser le nanotube, mais vous atteignez un point où les deux côtés commencent à se sentir, et ils commencent à gagner l'énergie d'attraction, », a déclaré Hauge. « La force van der Waals prend le relais, et les tubes préfèrent alors être effondrés.

Il a déclaré que l'énergie nécessaire pour effondrer un nanotube diminue à mesure que le diamètre du tube augmente. "C'est comme une paille, " a-t-il dit. « Pour un nanotube monoparoi, plus il grossit, plus il est facile de déformer.

Plus significatifs étaient les calculs qui ont déterminé les diamètres spécifiques auxquels les nanotubes sont susceptibles de s'effondrer. Il y a un point, Hauge a dit, à laquelle un nanotube pourrait aller dans un sens ou dans l'autre, ainsi, la dispersion des nanotubes en nanorubans dans un lot d'un diamètre particulier doit être à peu près égale. Au fur et à mesure que le diamètre augmente, la balance penche en faveur des rubans.

"C'est un play-off entre l'énergie de déformation sur les bords et l'interaction de van der Walls au centre, " a-t-il dit. Spécifiquement, they found that freestanding single-wall tubes become amenable to collapse when they are at least 2.6 nanometers in diameter — what the researchers called the “energy equivalence point.” Theory dictates that diameter would drop to 1.9 nanometers for a single-wall tube sitting on a graphene surface, il a dit, because of additional atomic interaction with the substrate.

Double-wall nanotubes reach energy equivalence at 4 nanometers, Hauge said, but nanotubes with more walls would take much more – probably too much – energy to collapse.

Bets’ formulas agreed nicely with his group’s observations, Hauge said. “What we measured in this paper for the first time is the point where the energy of a collapsed tube is equal to that of an uncollapsed tube, " a-t-il dit. “That’s the tipping point. Anything above, energetically, prefers to be collapsed rather than uncollapsed. It’s a fundamental property of nanotubes that hadn’t been measured before.”

The discovery has implications for bundles of nanotubes beginning to see use in fibers for electrical applications or as strengthening elements in advanced materials. “The question is whether a layer of collapsed tubes in a bundle is actually more energetically favorable than that same bundle of hexagonally shaped tubes, ” Hauge said. “That hasn’t been determined.”

Many basic questions remain, Hauge said. The researchers don’t know whether a nanotube collapses along its entire length, nor whether pressure from outside could start a chain reaction leading to collapse. “It’s possible that you could apply pressure to force everything to collapse, and it would stay that way because that’s what it wants to be, " a-t-il dit. They would also like to know whether a nanotube’s chirality – its internal arrangement of atoms – influences collapsing.

But he believes nano researchers will have a field day with the possibilities. “This should get people thinking about the whole area of larger-diameter nanotubes and what they might offer, " a-t-il dit. “It’s like what that guy on the radio used to say:We’ve all heard the story of nanotubes – and now we know the rest of the story.”