Qu'est-ce qui est 100 fois plus résistant que l'acier, pèse un sixième de moins et peut être cassé comme une brindille par une minuscule bulle d'air ? La réponse est un nanotube de carbone - et une nouvelle étude menée par des scientifiques de l'Université Rice détaille exactement comment les nanomatériaux très étudiés se cassent lorsqu'ils sont soumis à des vibrations ultrasonores dans un liquide.

« Nous constatons que le vieil adage « Je vais casser mais pas plier » ne tient pas à l'échelle micro et nanométrique, " a déclaré Matteo Pasquali, chercheur en ingénierie de Rice, le scientifique principal de l'étude, qui paraît ce mois-ci dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .

Les nanotubes de carbone - des tubes creux de carbone pur à peu près aussi larges qu'un brin d'ADN - sont l'un des matériaux les plus étudiés en nanotechnologie. Depuis plus d'une décennie, les scientifiques ont utilisé des vibrations ultrasonores pour séparer et préparer des nanotubes en laboratoire. Dans la nouvelle étude, Pasquali et ses collègues montrent comment ce processus fonctionne et pourquoi il nuit aux longs nanotubes. C'est important pour les chercheurs qui veulent fabriquer et étudier de longs nanotubes.

"Nous avons constaté que les nanotubes longs et courts se comportent très différemment lorsqu'ils sont soniqués, " dit Pasquali, professeur de génie chimique et biomoléculaire et de chimie à Rice. "Les nanotubes plus courts s'étirent tandis que les nanotubes plus longs se plient. Les deux mécanismes peuvent entraîner une rupture."

Découvert il y a plus de 20 ans, Les nanotubes de carbone sont l'un des matériaux miracles originaux de la nanotechnologie. Ce sont des cousins ​​proches du buckyball, la particule dont la découverte en 1985 à Rice a contribué à lancer la révolution des nanotechnologies.

Les nanotubes peuvent être utilisés dans des batteries et des capteurs pouvant être peints, diagnostiquer et traiter une maladie, et pour les câbles électriques de nouvelle génération dans les réseaux électriques. De nombreuses propriétés optiques et matérielles des nanotubes ont été découvertes au Rice's Smalley Institute for Nanoscale Science and Technology, et la première méthode de production à grande échelle pour fabriquer des nanotubes à paroi unique a été découverte à Rice par l'homonyme de l'institut, feu Richard Smalley.

"Le traitement des nanotubes dans les liquides est important industriellement mais c'est assez difficile car ils ont tendance à s'agglutiner, ", a déclaré le co-auteur Micah Green. "Ces amas de nanotubes ne se dissolvent pas dans les solvants courants, mais la sonication peut briser ces touffes afin de séparer, c'est à dire., disperser, les nanotubes."

Les nanotubes nouvellement développés peuvent être mille fois plus longs que larges, et bien que la sonication soit très efficace pour briser les touffes, cela rend également les nanotubes plus courts. En réalité, les chercheurs ont développé une équation appelée "loi de puissance" qui décrit à quel point ce raccourcissement sera dramatique. Les scientifiques entrent la puissance de sonication et la durée pendant laquelle l'échantillon sera soniqué, et la loi de puissance leur indique la longueur moyenne des nanotubes qui seront produits. Les nanotubes raccourcissent à mesure que la puissance et le temps d'exposition augmentent.

"Le problème est qu'il existe deux lois de puissance différentes qui correspondent à des résultats expérimentaux distincts, et l'un d'eux produit une longueur beaucoup plus courte que l'autre, " Pasquali a déclaré. "Ce n'est pas que l'un est correct et l'autre est faux. Chacun a été vérifié expérimentalement, il s'agit donc de comprendre pourquoi. Philippe Poulin a d'abord exposé cette divergence dans la littérature et a attiré mon attention sur le problème lorsque je visitais son laboratoire il y a trois ans. »

Pour enquêter sur cet écart, Pasquali et les co-auteurs de l'étude Guido Pagani, Micah Green et Poulin ont entrepris de modéliser avec précision les interactions entre les nanotubes et les bulles de sonication. Leur modèle informatique, qui fonctionnait sur le supercalculateur Cray XD1 de Rice, a utilisé une combinaison de techniques de dynamique des fluides pour simuler avec précision l'interaction. Lorsque l'équipe a effectué les simulations, ils ont découvert que les tubes plus longs se comportaient très différemment de leurs homologues plus courts.

"Si le nanotube est court, une extrémité sera attirée par la bulle qui s'effondre de sorte que le nanotube soit aligné vers le centre de la bulle, " dit Pasquali. " Dans ce cas, le tube ne se plie pas, mais plutôt s'étire. Ce comportement avait été prédit auparavant, mais nous avons également constaté que les longs nanotubes faisaient quelque chose d'inattendu. Le modèle a montré comment la bulle qui s'effondre a attiré des nanotubes plus longs vers l'intérieur à partir du milieu, en les pliant et en les cassant comme des brindilles."

Pasquali a déclaré que le modèle montre comment les deux lois de puissance peuvent être correctes :l'une décrit un processus qui affecte les nanotubes plus longs et l'autre décrit un processus qui affecte les plus courts.

« Il a fallu une certaine souplesse pour comprendre ce qui se passait, ", a déclaré Pasquali. "Mais le résultat est que nous avons une description très précise de ce qui se passe lorsque les nanotubes sont soniqués."