(Phys.org) - Le carbone - la base chimique de toute vie connue et un élément connu dès le 8ème siècle avant JC - existe sous une gamme de formes, ou allotropes , avec des propriétés remarquablement diverses. (Diamant, par exemple, est un réseau tétraédrique transparent et extrêmement dur qui conduit mal l'électricité mais est un excellent conducteur thermique. Graphite, d'autre part - un conducteur électrique modéré - est un doux, le noir, solide floconneux formé de feuilles de réseaux hexagonaux plats appelés graphène .) Parmi les allotropes du carbone, nanotubes de carbone sont des nanostructures cylindriques à base de graphène dont les propriétés sont essentielles à de nombreux domaines de la science et de la technologie des matériaux. En particulier, nanotubes de carbone monoparoi (SWNTs) sont des nanotubes de carbone dont les propriétés changent avec leur chiralité - C'est, les arrangements des atomes de carbone, qui est basé sur le diamètre du tube et l'angle d'enroulement comme spécifié par ce qu'on appelle leur ( m, m ) valeur. Ces variantes se comportent soit comme des conducteurs électriques soit comme des semi-conducteurs avec des bandes interdites différentes (la gamme d'énergie dans un solide où aucun état électronique ne peut exister), ce qui les rend extrêmement souhaitables pour les applications nanoélectroniques. Bien que cette caractéristique dépende du fait que les SWVT sont tous sous forme chirale ou autre, il a toujours été très difficile de cultiver sélectivement une seule forme, avec la sélectivité la plus élevée de 55% obtenue en utilisant des particules soigneusement choisies comme catalyseurs dans le processus de croissance de la synthèse par dépôt chimique en phase vapeur. Récemment, cependant, scientifiques de l'Université de Pékin, Pékin a utilisé des nanocristaux d'alliages bimétalliques à base de tungstène comme catalyseurs pour produire directement une chiralité unique (c'est-à-dire gauchers ou droitiers) SWNT à une pureté supérieure à 92%. Ce faisant, disent les chercheurs, leurs résultats ont ouvert la voie à un contrôle complet de la croissance de la chiralité SWNT, et ainsi poursuivre le développement d'applications SWNT.

Le professeur Yan Li a discuté de l'article qu'elle et ses co-auteurs ont publié dans La nature avec Phys.org . "Les propriétés des SWNTs sont totalement déterminées par leur structure, ou chiralité - et dans de nombreuses applications, il est nécessaire que les matériaux présentent des propriétés uniformes, " Li raconte Phys.org . Par exemple, elle dit que lors de l'utilisation de SWNT pour construire des transistors à effet de champ (FET), on espère toujours que tous les SWNT ont la même structure, présentant ainsi les mêmes performances. "Toutefois, " Li ajoute, « La croissance contrôlée par la chiralité est un grand défi sur le terrain depuis vingt ans, mais nous avons développé une nouvelle stratégie pour atteindre l'objectif. »

Li note qu'il y a deux facteurs importants pour réduire la température d'alliage :les atomes de tungstène et de cobalt étant déjà bien mélangés dans le précurseur, et les particules étant de dimensions nanométriques. Par conséquent, leur stratégie repose sur une nouvelle famille de catalyseurs – les nanocatalyseurs en alliage à base de tungstène – pour la croissance des nanotubes de carbone. « Ces catalyseurs conservent leur structure cristallisée sous les très hautes températures nécessaires à la croissance des nanotubes de carbone, et présentent également une structure tout à fait unique qui sert de modèle de nanotube de carbone. car il est extrêmement difficile d'effectuer cette procédure en utilisant un équipement de laboratoire standard - et en plus, Li fait remarquer, il est difficile de contrôler la taille, structure et morphologie de l'alliage résultant dans de telles conditions. "Nous avons utilisé un cluster moléculaire précurseur† pour obtenir des nanocatalyseurs de nanoparticules d'alliage de tungstène-cobalt (W-Co) à la température modérée de ~1000°C, " Li dit, "ce qui a rendu la production SWNT beaucoup plus facile."

La clé pour résoudre ce défi de croissance SWNT contrôlé par la chiralité vieux de deux décennies était, dit simplement, une nouvelle idée. « Bien que des efforts considérables aient été déployés pour explorer la croissance SWNT sélective pour la chiralité, aucune approche efficace n'avait été élaborée. Cela est en partie dû au fait que nous n'avons pas une connaissance suffisante du mécanisme de croissance SWNT, " explique-t-elle. " En effet, il est assez difficile de collecter suffisamment d'informations in situ pendant le processus de croissance des nanotubes, mais c'est précisément cette information qui peut nous aider à comprendre le mécanisme. Fort de mon expérience de plus de dix ans dans la croissance SWNT, J'ai eu une nouvelle idée sur l'utilisation de catalyseurs pour guider la structure des SWNTs."

Alors que les chercheurs ont vigoureusement étudié l'utilisation de catalyseurs pour modéliser la structure des SWNTs - comme en témoignent les nombreux articles publiés dans ce domaine - le succès s'est avéré insaisissable. "Nous avons réussi, " Li ajoute, "parce que nous avons deux idées très différentes - à savoir, nous avons reconnu que des catalyseurs avec des points de fusion élevés sont nécessaires pour utiliser le catalyseur comme modèle structurel; nous avons trouvé la bonne recette pour obtenir des catalyseurs à points de fusion élevés; nous avons réalisé que la structure unique du catalyseur est essentielle pour atteindre une sélectivité et une spécificité élevées. De plus, en tant que chimistes inorganiques, nous connaissons depuis longtemps les amas moléculaires, leurs caractéristiques et comment les préparer - l'idée d'utiliser des clusters moléculaires comme précurseur des nanoparticules d'alliage W-Co nous est donc venue naturellement, ce qui nous a permis de concevoir la nouvelle voie de préparation des nanoparticules d'alliage W-Co. »

Dans leur papier, les scientifiques disent que depuis l'utilisation de nanocristaux d'alliage à point de fusion élevé avec des structures optimisées comme catalyseurs a manifestement permis la production de nanotubes à chiralité unique à une abondance de> 92%, ils s'attendent à ce que leurs résultats ouvrent la voie à un contrôle total de la chiralité dans la croissance SWNT, favorisant ainsi le développement d'applications SWNT. « Sur la base de notre compréhension du mécanisme de croissance SWNT et des données expérimentales dont nous disposons déjà, " Li dit, « nous sommes convaincus que notre stratégie de croissance des SWNT avec la structure et la chiralité souhaitées à l'aide de catalyseurs avec une structure conçue et une stabilité élevée peut devenir une approche standard. » De plus, tungstène, cobalt, fer à repasser, et le nickel sont abondants, métaux bon marché, et leur source de carbone est l'éthanol, les coûts de production peuvent donc être faibles – un avantage évident pour une future commercialisation.

L'une des applications potentielles les plus intéressantes est l'électronique. Li souligne que la feuille de route technologique internationale pour les semi-conducteurs (ITRS) 2009 a sélectionné la nanoélectronique à base de carbone - y compris les nanotubes de carbone et le graphène - comme technologies prometteuses visant une démonstration commerciale dans les 10 à 15 prochaines années, et ainsi recevoir des ressources supplémentaires et une feuille de route détaillée. "Pour l'application à grande échelle des SWNT en nanoélectronique, " Li fait remarquer, « Des SWNT de structure identique sont souhaités. Notre méthode de croissance de SWNT de structure identique est donc une partie très importante du développement de l'électronique à base de nanotubes de carbone. »

Citant un autre exemple, Li note que le professeur Lianmao Peng et son équipe ont montré ¹ que les SWNT peuvent être utilisés pour réaliser une multiplication efficace de la tension photovoltaïque dans les cellules solaires à base de SWNT. Elle note que des SWNT à structure identique peuvent également être utilisés dans de tels dispositifs, donc si les nanotubes sont utilisés, des cellules solaires avec une tension photovoltaïque ajustée avec précision peuvent être obtenues. "Il y a certainement beaucoup plus d'applications potentielles, " ajoute Li. Maintenant, nous avons des échantillons SWNT avec une structure identique, nous pouvons explorer des propriétés plus intéressantes et des applications possibles que nous n'aurions jamais pu imaginer auparavant."

Li mentionne également leur utilisation du Vienna Ab-initio Simulation Package pour des simulations de théorie fonctionnelle de la densité auto-cohérentes. "La simulation fournit des informations qui ne sont pas facilement disponibles grâce aux seules données expérimentales. Elle peut également aider les théoriciens à comprendre le mécanisme de divers processus."

Avancer, Li dit, les scientifiques se concentrent sur trois étapes clés :

• Concevoir plus de catalyseurs pour produire des SWNT avec une plus large gamme de chiralités

• Optimiser davantage le processus pour améliorer la sélectivité de la chiralité, et donc la pureté

• Exploration de la synthèse en masse

Au-delà de leur propre domaine, Li raconte Phys.org , il existe d'autres domaines de recherche qui pourraient bénéficier de leur étude. « En métallurgie des alliages, notre idée d'utiliser un précurseur spécial pour réduire considérablement la température d'alliage peut être adoptée car elle peut réduire considérablement la consommation d'énergie - et la température de processus inférieure peut grandement faciliter les exigences en matière de matériaux et de systèmes de contrôle pour les appareils de production. En outre, l'utilisation de catalyseurs d'alliage de structure unique pour produire des molécules avec une structure prédéfinie peut être largement utilisée en synthèse chimique. Finalement, " Li conclut, « nos méthodes de caractérisation de la composition de la chiralité SWNT peuvent être utilisées dans la recherche de base sur les nanotubes de carbone. »

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