« Transport balistique » – cela ressemble à une explosion dans le futur. Et c'est.

En fabriquant des bandes de carbone d'une épaisseur d'un atome seulement et de moins de 15 atomes de large, les chercheurs visent à créer des "fils" à l'échelle moléculaire capables de transporter des informations des milliers de fois plus rapidement qu'il n'est possible aujourd'hui.

Entassés dans des circuits intégrés, ces bandes microscopiques appelées nanorubans de graphène pourraient augmenter de plus de 10, 000 fois le nombre de transistors par zone dans les puces informatiques. Le transport de courant exceptionnellement rapide le long des nanorubans de graphène augmenterait non seulement les performances de la puce, mais pourrait affiner la sensibilité des capteurs pour surveiller les performances du circuit ou des changements environnementaux subtils.

Conçu pour la première fois il y a seulement dix ans, la technologie des nanorubans est, bien sûr, un champ très chaud. Pour exploiter avec succès la grande promesse du graphène, bien que, les dimensions absolues des nanorubans et leur symétrie interne doivent être précises et prévisibles. Les variations de structure génèrent des incertitudes de performance et de l'inefficacité. Les techniques de fabrication d'aujourd'hui ne sont pas encore à la hauteur.

Félix Fischer, un chimiste à Berkeley, utilise son soutien du programme Bakar Fellows pour développer une manière totalement nouvelle et extraordinairement précise de créer des nanorubans.

Fischer est également récipiendaire d'une bourse de la Fondation David et Lucille Packard, décerné cette année à 16 des jeunes scientifiques et ingénieurs les plus innovants du pays.

La conductivité et les autres propriétés électriques des nanorubans sont essentiellement définies par leurs dimensions. Cette, à son tour, dérive de leur structure atomique absolue. Ajouter juste un ou deux atomes de carbone à un ruban de 15 atomes de large, par exemple, dégrade sa capacité à travailler à température ambiante.

Les méthodes de fabrication actuelles reposent sur des moyens physiques relativement bruts pour créer les bandes microscopiques – si quelque chose à l'échelle de moins d'un milliardième de pouce peut vraiment être qualifié de brut.

"L'approche conventionnelle utilise un faisceau focalisé pour sculpter des nanorubans à partir de feuilles de graphène, " Fischer dit. " Vous ciselez la structure que vous voulez à partir d'un plus gros morceau de carbone. Cela peut être fait assez rapidement, mais vous n'avez pas de contrôle précis sur la position de chaque atome de carbone dans le ruban.

"Nous voulons des nanorubans dans lesquels nous savons exactement où se trouve chaque atome."

Au lieu de sculpter physiquement des bandes de graphène, Fischer les concocte chimiquement. En créant des nanorubans à partir de leurs sous-unités moléculaires, il peut contrôler la position et le nombre de chaque atome dans le ruban et obtenir un contrôle prévisible sur leurs performances, il dit.

Son laboratoire synthétise des blocs de construction moléculaires fabriqués à partir d'anneaux d'atomes de carbone et d'hydrogène, similaire à la structure chimique du benzène. Ils chauffent ensuite les molécules pour lier les blocs de construction en guirlandes linéaires. Dans une seconde étape de chauffage, les atomes d'hydrogène en excès sont extraits du squelette carboné, ce qui donne un squelette uniforme de liaisons carbone-carbone.

L'arrangement atomique de l'assemblage et son substrat de support ressemblent à une peau de serpent ou à une trace de pneu, bien qu'à une échelle phénoménale. Si 10, 000 nanorubans ont été placés côte à côte, ils formeraient une structure à peu près aussi large qu'un cheveu humain.

Les électrons peuvent voyager le long du ruban de graphène uniforme essentiellement sans atome pour bloquer leur chemin. Leur trajectoire rectiligne leur permet de transporter le courant des milliers de fois plus rapidement sur de courtes distances qu'ils ne le feraient à travers un conducteur métallique traditionnel comme le fil de cuivre.

Cette, à son tour, signifie que les transistors peuvent être allumés et éteints beaucoup plus rapidement - l'une des clés pour augmenter la vitesse d'un circuit.

Fischer a découvert que les nanorubans peuvent fonctionner comme des semi-conducteurs à température ambiante lorsqu'ils ont entre 10 et 20 atomes de large.

"Plus le ruban est large, plus la bande interdite est étroite (un déterminant de la conductance électrique), " dit-il. " Si vous allez à des plus larges, les propriétés dont nous avons besoin s'épuisent."

Les bandes de graphène pourraient permettre un transport beaucoup plus rapide, espace de rangement, et la récupération de données que les semi-conducteurs d'aujourd'hui. Leur structure dissipe également bien la chaleur, ce qui permettrait aux ordinateurs et autres circuits de gros appareils électroniques de fonctionner plus longtemps et plus efficacement.

Adossé à sa chaise, les bras croisés derrière la tête et un sourire joyeux sur le visage, Fischer compare son intérêt pour les nanorubans à l'excitation d'un enfant rêvant d'être astronaute. "C'est être quelque part où personne n'a été avant. En chimie, vous pouvez faire de nouvelles choses tous les jours. Vous n'êtes limité que par votre imagination et votre créativité."

Il mentionne la loi de Moore, souvent citée, qui prévoit que les performances des puces informatiques doubleront tous les deux ans. "De nombreux fabricants craignent que nous atteignions un plafond. Vous devez penser à la façon dont vous pouvez produire des appareils électroniques qui peuvent fonctionner plus rapidement sans générer plus de chaleur. Ces nanorubans pourraient être la clé pour suivre la loi de Moore."

Imaginer cette possibilité est certainement la première étape.