Le professeur Stephan Irle de l'Institute of Transformative Bio-Molecules (WPI-ITbM) de l'Université de Nagoya et ses collègues de l'Université de Kyoto, Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL), et les instituts de recherche chinois ont révélé à travers des simulations théoriques que le mécanisme moléculaire de la croissance des nanotubes de carbone (CNT) et de la combustion des hydrocarbures partage en fait de nombreuses similitudes.

Dans les études utilisant des molécules d'acétylène (éthyne ; C2H2, une molécule contenant une triple liaison entre deux atomes de carbone) comme matière première, le radical éthynyle (C2H), un intermédiaire moléculaire hautement réactif s'est avéré jouer un rôle important dans les deux processus formant les NTC et la suie, qui sont deux structures distinctement différentes.

L'étude publiée en ligne le 24 janvier 2014 en Carbone , devrait conduire à l'identification de nouvelles façons de contrôler la croissance des NTC et d'améliorer la compréhension des processus de combustion des carburants.

Les NTC sont des molécules à nanostructure cylindrique (nano =10E-9 m soit 1/1, 000, 000, 000 m). Découlant de leurs propriétés physiques et chimiques uniques, Les NTC ont trouvé des applications technologiques dans les domaines de l'électronique, optique et science des matériaux.

Les NTC peuvent être synthétisés par une méthode appelée dépôt chimique en phase vapeur, où les molécules de vapeur d'hydrocarbures sont déposées sur des catalyseurs de métaux de transition sous un flux de gaz non réactif à haute température.

Les problèmes actuels avec cette méthode sont que les NTC sont généralement produits sous forme de mélanges de nanotubes avec différents diamètres et différentes structures de parois latérales. Des simulations théoriques coordonnées par le professeur Irle ont étudié les mécanismes moléculaires de la croissance des NTC en utilisant des molécules d'acétylène comme matière première (Figure 1). Le résultat de leurs recherches permet d'identifier de nouveaux paramètres qui peuvent être modifiés pour améliorer le contrôle des distributions de produits dans la synthèse des NTC.

Des calculs théoriques de haut niveau utilisant la dynamique moléculaire chimique quantique ont été effectués pour étudier les premiers stades de la croissance des NTC à partir de molécules d'acétylène sur de petits amas de fer (Fe38). Des études mécanistiques antérieures ont postulé la décomposition complète des gaz sources d'hydrocarbures en carbone atomique avant la croissance des NTC.

"Nos simulations ont montré que l'oligomérisation de l'acétylène et les réactions de réticulation entre les chaînes d'hydrocarbures se produisent comme des voies de réaction majeures dans la croissance des NTC, ainsi que la décomposition en carbone atomique", explique le professeur Stephan Irle, qui a dirigé la recherche, « cela fait suite à des mécanismes semblables à ceux de l'addition d'acétylène et d'extraction d'hydrogène (HACA) qui sont couramment observés dans les processus de combustion », poursuit-il.

On sait que les processus de combustion se déroulent par le mécanisme de type addition d'acétylène et d'extraction d'hydrogène (HACA). L'initiation du mécanisme commence par l'abstraction d'un atome d'hydrogène à partir d'une molécule précurseur suivie par l'ajout d'acétylène, et le cycle répétitif conduit à la formation de carbones aromatiques polycycliques (HAP) à structure cyclique.

Dans ce processus, le radical éthynyle hautement réactif (C2H) se régénère en permanence, allongeant les anneaux de HAP et formant éventuellement de la suie. Le même intermédiaire réactif clé est observé dans la croissance des NTC et agit comme un organocatalyseur (un catalyseur basé sur une molécule organique) facilitant les réactions de transfert d'hydrogène à travers les grappes d'hydrocarbures en croissance. Les simulations identifient un processus de bifurcation intrigant par lequel des espèces d'hydrocarbures riches en hydrogène enrichissent la teneur en hydrogène en créant des sous-produits non CNT, et les espèces d'hydrocarbures déficientes en hydrogène enrichissent la teneur en carbone conduisant à la croissance des NTC (Figure 2).

"Nous avons commencé ce type de recherche à partir de 2000, et le long temps de simulation a été un grand défi pour effectuer des simulations complètes sur toutes les molécules participantes, en raison de la résistance relativement élevée de la liaison carbone-hydrogène. En établissant et en utilisant une méthode de calcul rapide, nous avons réussi pour la première fois à intégrer l'hydrogène dans nos calculs, qui a conduit à cette nouvelle compréhension révélant la similitude entre la croissance des NTC et les processus de combustion des hydrocarbures. Cette découverte est très intrigante dans le sens où ces processus ont longtemps été considérés comme procédant par des mécanismes complètement différents », détaille le professeur Irle.

Les résultats de ces simulations illustrent l'importance du rôle de la liaison chimique du carbone et des transformations moléculaires dans la croissance des NTC. Le professeur Irle explique, "Nos simulations suggèrent de nouveaux paramètres, telles que le réglage de la teneur en hydrogène pour améliorer le contrôle de la croissance des NTC et de la formation de suie. Nous souhaitons développer de nouvelles méthodes pour accélérer les techniques qui convaincront les expérimentateurs et établir de nouveaux outils pour explorer de nouvelles possibilités qui contribueront à la compréhension de ces processus importants. »