Ce graphique montre la différence entre un fauteuil nanotube, la gauche, avec un nanotube proche du fauteuil à croissance rapide, centre, qui a un seul pli à sa base. A droite, un nanotube avec plusieurs plis n'est pas aussi susceptible de croître dans des conditions données, selon une nouvelle formule de croissance des nanotubes. Crédit :Evgeni Penev
(Phys.org) — De nombreuses bonnes idées naissent de discussions autour d'une tasse de café. Mais c'est rare et merveilleux quand une révélation vient de la coupe elle-même.
Le physicien théoricien de l'Université Rice Boris Yakobson, agissant sur une inspiration soudaine lors d'une réunion l'année dernière à Arlington, Virginie., a obtenu quelques tasses à café de rechange d'un serveur et d'une paire de ciseaux et a commencé à exposer - à la manière d'une foire scientifique - une idée qui pourrait avoir des implications de grande envergure pour l'industrie des nanotechnologies.
Comme en témoigne un nouveau document de Communication Nature , Yakobson et ses collègues Rice, le chercheur postdoctoral Vasilii Artyukhov et le chercheur Evgeni Penev, était venu avec la graine (ou peut-être, haricot) d'une formule simple qui décrit pourquoi les nanotubes ont une chiralité. La chiralité est la propriété qui décrit l'angle des hexagones des atomes de carbone qui composent les parois d'un nanotube.
Les chercheurs ont déclaré que ces connaissances pourraient finalement permettre aux chimistes de contrôler la chiralité de lots entiers de nanotubes au fur et à mesure de la croissance des tubes.
Les nanotubes de carbone sont des feuilles de graphène, la forme épaisse du carbone à un seul atome, roulé dans un cylindre. Certains types, appelés nanotubes de fauteuil - ainsi appelés pour la façon dont leurs bords s'alignent - ont une excellente conductivité et peuvent être la clé de câbles de transmission de puissance sans perte. Tournez les hexagones de 30 degrés et les nanotubes deviennent ce qu'on appelle du type zigzag, une variante semi-conductrice qui a une grande valeur pour les applications électroniques.
Zigzags, les fauteuils et tous les nanotubes intermédiaires sont définis par leur chiralité. Leur électronique, les propriétés chimiques et optiques changent avec chaque degré entre zéro et 30 que les hexagones sont inclinés.
Les nanotubes poussent en lots de plusieurs types, et personne n'a encore trouvé un moyen efficace d'obtenir des tubes d'un seul type en quantités industrielles. Le meilleur espoir pour les nouvelles technologies utilisant des nanotubes est de découvrir comment faire croître des lots à chiralité unique.
Cette, il s'avère, peut être une question d'équilibre entre deux forces opposées :l'énergie du contact catalyseur-nanotube et la vitesse à laquelle les atomes se fixent lorsqu'ils forcent le nanotube à croître de bas en haut.
Yakobson et ses collègues ont été très intrigués par le fait que, au cours de la dernière décennie, la croissance des nanotubes dans plusieurs laboratoires a révélé une forte préférence pour les versions proches du fauteuil avec une chiralité minimale. En grandissant, ces nanotubes s'inclinent à la base tout en restant attachés au catalyseur métallique. "Ce sont des tours de carbone penchées, " Yakobson a dit, bien que cela aurait rendu Pise jalouse car les nanotubes peuvent être des milliers de fois plus hauts que larges. Plus, ils tournent à mesure qu'ils grandissent au lieu de rester immobiles.
« D'un point de vue théorique, c'était vraiment un casse-tête, " Penev a dit. "Pourquoi poussent-ils chiraux, et qu'est-ce qui peut contrôler ce type de chiralité ?"
Yakobson et son groupe Rice se spécialisent dans l'analyse théorique de l'énergie au niveau atomique. Quand le professeur, avec une tasse et des ciseaux à la main, faire une encoche dans le récipient, tout a commencé à avoir un sens.
"Lorsque nous avons examiné très attentivement la thermodynamique et la cinétique de l'interface atomique entre le catalyseur et le corps du réseau de carbone en croissance, nous avons découvert qu'il existe un équilibre entre l'énergie du contact et la vitesse à laquelle les atomes de carbone peuvent être insérés, " il a dit.
Les tasses à café représentent trois types de nanotubes de carbone analysés par des physiciens théoriciens de l'Université Rice. Les chercheurs ont déterminé que les nanotubes proches du fauteuil d'un lot croissent dans la plus grande masse car ils atteignent l'équilibre le plus favorable entre l'énergie et la vitesse. Nanotubes avec un plus grand angle chiral, comme celui de droite, ne sont pas aussi favorisés car la haute énergie du contact lâche abaisse le taux de nucléation. Crédit :Le Groupe Yakobson
Les chercheurs ont décrit l'énergie et la vitesse comme "des tendances antagonistes, " car la préférence énergétique se penche vers un nanotube à fond plat qui épouse le catalyseur et aboutit à des tubes " achiral " en fauteuil ou en zigzag, tandis que le besoin de vitesse conduit à des tubes chiraux.
Le meilleur équilibre a été atteint lorsque les nanotubes ont montré un seul pli à la base, comme une dent sur une scie, et a laissé la quantité nécessaire d'espace pour que les atomes s'attachent et forcent le tube à monter en spirale.
"Le détail critique est que le carbone est plus facile à insérer à l'interface entre le catalyseur et le corps du nanotube s'il y a un point lâche, " Artyukhov a déclaré. "Cette tache lâche est toujours due au pli dans la fondation, pour ainsi dire."
Par conséquent, en calculant la distribution de croissance de nanotubes dans un lot, les chercheurs ont découvert que les nanotubes les plus abondants sont ceux qui sont très proches du type fauteuil, surtout lorsque la croissance a lieu à des températures plus basses et avec un catalyseur solide. Des températures plus élevées et un catalyseur liquide ont tendance à produire une gamme plus large de nanotubes chiraux. Les deux résultats peuvent être expliqués par la formule, selon le papier.
"En réalité, l'une des choses les plus satisfaisantes à propos de ce travail est que toute cette complexité peut être regroupée dans une équation mathématique très simple, " a déclaré Yakobson. "Je ne m'y serais jamais attendu."
