L'intérêt pour le carbone et son utilisation dans les nouvelles technologies est très élevé en ce moment. De nombreuses recherches et développements commerciaux et universitaires sont consacrés à la fabrication de systèmes de taille nanométrique. Ces dernières années, ces types de systèmes à base de carbone ont produit une gamme de propriétés potentiellement intéressantes sur le plan commercial, notamment la superlubrification, avec un frottement négligeable entre les feuilles de graphème et les surfaces de graphite, tandis que la super-diffusion a également été observée dans les simulations de nano-clusters d'or adsorbés sur du graphène.

Un domaine particulièrement prometteur est le développement de moteurs moléculaires synthétiques à base de carbone, équivalents artificiels de moteurs à base de protéines trouvés dans le corps qui alimentent des processus critiques tels que le trafic intracellulaire et la division cellulaire. Actuellement limité au laboratoire, l'utilisation potentielle plus large de ces moteurs à l'échelle moléculaire est aujourd'hui limitée par un manque de compréhension de la physique et de la chimie de surface des systèmes carbonés à l'échelle microscopique. Cela freine les progrès sur des parties clés du moteur, par exemple dans le développement de surfaces qui glissent les unes sur les autres sans aucune résistance ni usure.

« À l'heure actuelle, une grande partie de la R&D sur ces systèmes de carbone se fait via la chimie expérimentale sur une base d'essais et d'erreurs plutôt que par l'ingénierie de ces systèmes de carbone à partir des premiers principes, dit le chercheur de l'ILL, le Dr Peter Fouquet, qui a dirigé l'étude. "Cette situation a été difficile à résoudre car le niveau d'analyse requis pour faire des prédictions précises des propriétés et de la dynamique du système est assez exigeant et, par conséquent, de nombreux mécanismes de la littérature ne sont pas corrects."

Pour améliorer notre compréhension de ces systèmes, Le Dr Fouquet et son équipe ont travaillé sur un système carboné relativement simple - le benzène - pour étudier son mouvement sur une surface. En 2009 Dr Fouquet, aux côtés de collègues de l'Université de Cambridge ont publié un article montrant que le mouvement du benzène peut être décrit par une sorte de mouvement de surface identifié pour la première fois par Albert Einstein, appelée diffusion brownienne. Elle concerne le mouvement aléatoire des particules en suspension dans un fluide, liquide ou un gaz résultant de leur collision avec les atomes ou molécules rapides du gaz ou du liquide.

Dans leur dernière étude, le Dr Fouquet et son équipe ont étudié plus en détail l'origine de ce mouvement et comment il est affecté par la modification de la température du système entre 60K et plus de 140K, ainsi que des changements de densité moléculaire. Pour effectuer leurs analyses, le Dr Fouquet et ses collègues ont utilisé le spectromètre TOF IN6 et le spectromètre NSE IN11 de l'Institut Laue-Langevin (ILL) ainsi que le spectromètre à rétrodiffusion OSIRIS à la source de neutrons ISIS, qui, une fois combinés, ont permis à l'équipe de créer un modèle 2D détaillé du système. "L'avantage de la diffusion des neutrons est que vous obtenez des informations sur les échanges d'énergie et les profils temporels en même temps que vous obtenez des informations sur l'échelle de longueur sur laquelle cela se produit, " dit le docteur Fouquet.

Contrairement à ce qui a été vu avant l'analyse, l'analyse a révélé que la vitesse de diffusion diminuait considérablement lorsque nous augmentions la densité des particules - montrant que la diffusion était presque comme dans un liquide théoriquement idéal où le ralentissement ne se produit qu'en cas de collision entre les particules. L'équipe a également trouvé la première preuve d'une conversion en comportement super diffusif (diffusion avec frottement négligeable) aux plus faibles densités de benzène.

"Ce travail nous a permis de mieux comprendre la nature de la diffusion et les origines du frottement", dit le docteur Fouquet. "Le nouveau, une modélisation plus précise de ces processus facilitera la recherche de blocs de construction à faible friction en nanotechnologie, y compris ceux en carbone. D'un point de vue physique plus fondamental, ce que nous avons créé ici, un système 2D de gaz brunissant presque parfait, est également un système de test brillant pour étudier la physique simple des particules en collision."