(Phys.org) —Carbyne sera le plus puissant d'une nouvelle classe de matériaux microscopiques si et quand n'importe qui peut le fabriquer en vrac.

S'ils le font, ils découvriront que les nanotiges ou les nanocordes de carbyne ont une foule de propriétés remarquables et utiles, comme décrit dans un nouvel article du physicien théoricien de l'Université Rice Boris Yakobson et de son groupe. L'article paraît cette semaine dans le journal de l'American Chemical Society ACS Nano .

Carbyne est une chaîne d'atomes de carbone maintenus ensemble par des liaisons atomiques simples et triples alternées. Cela en fait un véritable matériau unidimensionnel, contrairement aux feuilles de graphène minces atomiques qui ont un haut et un bas ou des nanotubes creux qui ont un intérieur et un extérieur.

D'après le portrait tiré des calculs de Yakobson et de son groupe :

• La résistance à la traction de Carbyne - la capacité de résister à l'étirement - surpasse « celle de tout autre matériau connu » et est le double de celle du graphène. (Les scientifiques avaient déjà calculé qu'il faudrait un éléphant sur un crayon pour percer une feuille de graphène.)
• Il a une rigidité à la traction deux fois supérieure à celle des nanotubes de graphène et de carbone et près de trois fois celle du diamant.
• L'étirement de la carbyne aussi peu que 10 pour cent modifie considérablement sa bande interdite électronique.
• S'il est équipé de poignées moléculaires aux extrémités, il peut également être tordu pour modifier sa bande interdite. Avec une rotation de 90 degrés de bout en bout, il devient un semi-conducteur magnétique.
• Les chaînes de carbyne peuvent prendre des molécules secondaires qui peuvent rendre les chaînes adaptées au stockage d'énergie.
• Le matériau est stable à température ambiante, résistant largement aux réticulations avec les chaînes voisines.

C'est un ensemble remarquable de qualités pour une simple chaîne d'atomes de carbone, dit Yakobson.

"Vous pourriez le regarder comme un ruban de graphène finalement mince, réduit à un seul atome, ou un nanotube finalement mince, " dit-il. Cela pourrait être utile pour les systèmes nanomécaniques, dans les dispositifs spintroniques, comme capteurs, comme matériaux résistants et légers pour des applications mécaniques ou pour le stockage d'énergie.

"Quelles que soient les candidatures, " il a dit, « académiquement, c'est très excitant de connaître l'assemblage d'atomes le plus fort possible."

Sur la base des calculs, il a dit que la carbyne pourrait être l'état énergétique le plus élevé pour le carbone stable. "Les gens recherchent généralement ce qu'on appelle l'état fondamental, ' la configuration énergétique la plus basse possible pour les atomes, " Yakobson a dit. " Pour le carbone, ce serait du graphite, suivi du diamant, puis les nanotubes, puis les fullerènes. Mais personne ne pose de questions sur la configuration énergétique la plus élevée. Nous pensons que c'est peut-être ça, une structure stable à la plus haute énergie possible."

Les théories sur le carbyne sont apparues pour la première fois au 19ème siècle, et une approximation du matériau a été synthétisée pour la première fois en URSS en 1960. Carbyne a depuis été vu dans du graphite comprimé, a été détecté dans la poussière interstellaire et a été créé en petites quantités par des expérimentateurs.

"J'ai toujours été intéressé par la stabilité des fils finalement minces de n'importe quoi et par la finesse d'une tige que vous pourriez faire à partir d'un produit chimique donné, " Yakobson a déclaré. " Il y a 10 ans, nous avions un article sur le silicium dans lequel nous explorions ce qui arrive aux nanofils de silicium à mesure qu'ils s'amincissent. Tome, c'était juste une partie de la même question."

Les chercheurs Rice, dirigé par l'étudiant diplômé de Rice Mingjie Liu et le chercheur postdoctoral Vasilii Artyukhov, connaissaient un certain nombre d'articles décrivant une propriété ou une autre de la carbyne. Ils ont entrepris de détailler le carbyne avec des modèles informatiques en utilisant des règles de premier principe pour déterminer les interactions énergétiques des atomes, dit Artoukhov.

"Notre intention était de tout mettre ensemble, construire une image mécanique complète du carbone en tant que matériau, " a déclaré Artyukhov. " Le fait qu'il ait été observé nous indique qu'il est stable sous tension, au moins, parce que sinon il s'effondrerait."

Yakobson a déclaré que les chercheurs étaient surpris de constater que la bande interdite dans le carbyne était si sensible à la torsion. "Il sera utile comme capteur de torsion ou de champs magnétiques, si vous pouvez trouver un moyen de l'attacher à quelque chose qui le fera se tordre, " dit-il. " Nous n'avons pas cherché cela, Plus précisément; c'est venu comme un produit secondaire."

"C'est l'avantage d'étudier les choses attentivement, " a déclaré Artoukhov.

Une autre découverte d'un grand intérêt était la barrière énergétique qui empêche les atomes des chaînes de carbyne adjacentes de s'effondrer les uns dans les autres. "Quand vous parlez de matériel théorique, il faut toujours faire attention à voir s'il va réagir avec lui-même, " Artyukhov a déclaré. "Cela n'a jamais vraiment fait l'objet d'une enquête pour Carbyne."

La littérature semblait indiquer que le carbyne " n'était pas stable et formerait du graphite ou de la suie, " il a dit.

Au lieu, les chercheurs ont découvert que des atomes de carbone sur des cordes séparées pourraient surmonter la barrière en un seul endroit, mais la rigidité des tiges les empêcherait de se rejoindre dans un deuxième endroit, au moins à température ambiante. "Ils ressembleraient à des ailes de papillon, " a déclaré Artoukhov.

"Les paquets peuvent coller les uns aux autres, mais ils ne s'effondreraient pas complètement, " Yakobson a ajouté. " Cela pourrait faire un très poreux, filet aléatoire qui peut être bon pour l'adsorption. » Artyukhov a déclaré que la surface spécifique nominale du carbyne est environ cinq fois celle du graphène.

Lorsque le document de l'équipe est devenu disponible cet été sur arXiv, la presse scientifique et même une partie de la presse populaire étaient tellement enthousiasmées par les calculs qu'ils ont repris le document et ses implications avant que l'équipe ne le soumette à un examen par les pairs. Maintenant que le papier complet est prêt pour la consommation publique, les chercheurs ont déclaré qu'ils mèneraient leur enquête dans de nouvelles directions.

Ils examinent de manière plus rigoureuse la conductivité du carbyne et réfléchissent également à d'autres éléments. "Nous avons parlé de passer en revue différents éléments du tableau périodique pour voir si certains d'entre eux peuvent former des chaînes unidimensionnelles, " a déclaré Yakobson.