Nanofils et nanotubes, des structures élancées qui ne mesurent que quelques milliardièmes de mètre de diamètre mais plusieurs milliers ou millions de fois plus longues, sont devenus des matériaux chauds ces dernières années. Ils existent sous de nombreuses formes - faits de métaux, semi-conducteurs, isolants et composés organiques - et sont à l'étude pour une utilisation en électronique, conversion de l'énergie, optique et détection chimique, entre autres domaines.

La découverte initiale des nanotubes de carbone - de minuscules tubes de carbone pur, essentiellement des feuilles de graphène enroulées dans un cylindre - est généralement crédité à un article publié en 1991 par le physicien japonais Sumio Ijima (bien que certaines formes de nanotubes de carbone aient été observées plus tôt). Presque immédiatement, il y avait une explosion d'intérêt pour cette forme exotique d'un matériau banal. Nanofils—fibres cristallines solides, plutôt que des tubes creux - a acquis une importance similaire quelques années plus tard.

En raison de leur extrême finesse, les nanotubes et les nanofils sont essentiellement unidimensionnels. « Ce sont des matériaux quasi-unidimensionnels, " déclare Silvija Gradečak, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux au MIT :" Deux de leurs dimensions sont à l'échelle du nanomètre. " Cette unidimensionnalité confère des propriétés électriques et optiques distinctives.

Pour une chose, cela signifie que les électrons et les photons au sein de ces nanofils subissent des "effets de confinement quantique, " dit Gradečak. Et pourtant, contrairement à d'autres matériaux qui produisent de tels effets quantiques, comme les points quantiques, la longueur des nanofils leur permet de se connecter avec d'autres dispositifs macroscopiques et le monde extérieur.

La structure d'un nanofil est si simple qu'il n'y a pas de place pour les défauts, et les électrons traversent sans entrave, Gradečak explique. Cela évite un problème majeur avec les semi-conducteurs cristallins typiques, tels que ceux réalisés à partir d'une plaquette de silicium :Il y a toujours des défauts dans ces structures, et ces défauts interfèrent avec le passage des électrons.

Fait d'une variété de matériaux, les nanofils peuvent être « cultivés » sur de nombreux substrats différents grâce à un processus de dépôt en phase vapeur. De minuscules billes d'or fondu ou d'autres métaux sont déposées sur une surface; le matériau nanofilaire, en vapeur, est ensuite absorbé par l'or en fusion, poussant finalement à partir du bas de cette perle comme une colonne maigre du matériau. En sélectionnant la taille de la perle métallique, il est possible de contrôler précisément la taille du nanofil résultant.

En outre, les matériaux qui ne se mélangent généralement pas facilement peuvent être cultivés ensemble sous forme de nanofils. Par exemple, couches de silicium et de germanium, deux semi-conducteurs largement utilisés, "sont très difficiles à cultiver ensemble dans des films minces, " dit Gradečak. " Mais dans les nanofils, ils peuvent être cultivés sans aucun problème. l'équipement nécessaire à ce type de dépôt en phase vapeur est largement utilisé dans l'industrie des semi-conducteurs, et peut facilement être adapté pour la production de nanofils.

Alors que les diamètres des nanofils et des nanotubes sont négligeables, leur longueur peut s'étendre sur des centaines de micromètres, atteignant même des longueurs visibles à l'œil nu. Aucun autre matériau connu ne peut produire des rapports longueur/diamètre aussi extrêmes :des millions de fois plus longs que larges.

À cause de ce, les fils ont un rapport surface/volume extrêmement élevé. Cela les rend très bons comme détecteurs, car toute cette surface peut être traitée pour se lier à des molécules chimiques ou biologiques spécifiques. Le signal électrique généré par cette liaison peut alors être facilement transmis le long du fil.

De la même manière, la forme des nanofils peut être utilisée pour produire des lasers à faisceau étroit ou des diodes électroluminescentes (LED), dit Gradečak. Ces minuscules sources lumineuses pourraient un jour trouver des applications dans les puces photoniques, par exemple, des puces dans lesquelles l'information est transportée par la lumière, au lieu des charges électriques qui relaient l'information dans l'électronique d'aujourd'hui.

Par rapport aux nanofils solides, les nanotubes ont une structure plus complexe :essentiellement des feuilles de carbone pur d'une épaisseur d'un atome, avec les atomes disposés selon un motif qui ressemble à du grillage. Ils se comportent à bien des égards comme des matériaux unidimensionnels, mais sont en fait des tubes creux, comme une longue, paille à boire à l'échelle nanométrique.

Les propriétés des nanotubes de carbone peuvent varier fortement selon la façon dont ils sont enroulés, une propriété appelée chiralité. (C'est similaire à la différence entre former un tube de papier en enroulant une feuille de papier dans le sens de la longueur par rapport à la diagonale :les différents alignements de fibres dans le papier produisent une résistance différente dans les tubes résultants.) Dans le cas des nanotubes de carbone, la chiralité peut déterminer si les tubes se comportent comme des métaux ou comme des semi-conducteurs.

Mais contrairement au contrôle de fabrication précis qui est possible avec les nanofils, jusqu'à présent, les méthodes de fabrication de nanotubes produisent un mélange aléatoire de types, qui doivent être triés pour utiliser un type particulier. Outre les nanotubes monoparois, ils existent également sous des formes à double paroi et à parois multiples.

En plus de leurs propriétés électroniques et optiques utiles, les nanotubes de carbone sont exceptionnellement résistants, et sont utilisées comme fibres de renforcement dans les matériaux composites avancés. "Dans toute application où l'unidimensionnalité est importante, les nanotubes de carbone et les nanofils apporteraient des avantages, " dit Gradečak.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.