L'un des problèmes de longue date du travail avec les nanomatériaux - des substances à l'échelle moléculaire et atomique - est de contrôler leur taille. Lorsque leur taille change, leurs propriétés changent également. Cela suggère qu'un contrôle uniforme de la taille est essentiel afin de les utiliser de manière fiable en tant que composants électroniques.

En d'autres termes, "si vous ne contrôlez pas la taille, vous aurez une inhomogénéité dans les performances, " dit Mark Hersam. " Vous ne voulez pas que certains de vos téléphones portables fonctionnent, et d'autres non."

Hersam, professeur de génie des matériaux, chimie et médecine à la Northwestern University, a développé une méthode pour séparer les nanomatériaux par taille, fournissant ainsi une cohérence dans les propriétés autrement non disponibles. De plus, la solution est venue directement des sciences de la vie :la biochimie, En réalité.

La technique, connue sous le nom d'ultracentrifugation à gradient de densité, est un procédé vieux de plusieurs décennies utilisé pour séparer les biomolécules. Le scientifique financé par la National Science Foundation (NSF) a théorisé correctement qu'il pourrait l'adapter pour séparer les nanotubes de carbone, feuilles de graphène laminées (une seule couche atomique d'atomes de carbone liés de manière hexagonale), reconnus depuis longtemps pour leurs applications potentielles dans les ordinateurs et les tablettes, téléphones intelligents et autres appareils portables, photovoltaïque, batteries et bio-imagerie.

La technique a rencontré un tel succès que Hersam et son équipe détiennent aujourd'hui une vingtaine de brevets en instance ou délivrés, et en 2007 ont créé leur propre entreprise, NanoIntegris, a démarré avec un 150 $, 000 NSF subvention aux petites entreprises. L'entreprise a pu augmenter sa production de 10, 000 fois, et compte actuellement 700 clients dans 40 pays.

« Nous avons désormais la capacité de produire dix fois la demande mondiale de ce matériau, " dit Hersam.

NSF soutient Hersam avec un montant de 640 $, 000 bourses de chercheur individuel attribuées en 2010 pour cinq ans. Aussi, il dirige le Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) de Northwestern, que la NSF finance, y compris le soutien d'environ 30 membres du corps professoral/chercheurs.

Hersam a également récemment reçu l'une des prestigieuses bourses MacArthur de cette année, un 625 $, 000 prix sans conditions, populairement connue sous le nom de subvention « génie ». Ceux-ci vont à des personnes talentueuses qui ont fait preuve d'une originalité et d'un dévouement extraordinaires dans leurs domaines, et visent à encourager les bénéficiaires à explorer librement leurs intérêts sans crainte de prendre des risques.

« Cela nous permettra de prendre plus de risques dans nos recherches, puisqu'il n'y a pas de « jalons » à respecter, " il dit, se référant à une exigence fréquente de nombreux bailleurs de fonds. "J'ai aussi un fort intérêt pour l'enseignement, donc j'utiliserai les fonds pour influencer autant d'étudiants que possible."

Le procédé de séparation des nanotubes de carbone, qu'Hersam a développé, commence par un tube à centrifuger. En cela, "nous chargeons une solution à base d'eau et introduisons un additif qui nous permet d'ajuster la densité de flottabilité de la solution elle-même, " il explique.

"Ce que nous créons est un gradient dans la densité de flottabilité de la solution aqueuse, avec une faible densité en haut et une haute densité en bas, " poursuit-il. " On charge ensuite les nanotubes de carbone et on les met dans la centrifugeuse, qui entraîne les nanotubes à travers le gradient. Les nanotubes se déplacent dans le gradient jusqu'à ce que leur densité corresponde à celle du gradient. Le résultat est que les nanotubes forment des bandes séparées dans le tube de centrifugation par densité. La densité du nanotube étant fonction de son diamètre, cette méthode permet une séparation par diamètre."

Une propriété qui distingue ces matériaux des semi-conducteurs traditionnels comme le silicium est qu'ils sont mécaniquement flexibles. "Les nanotubes de carbone sont très résistants, " dit Hersam. " Cela nous permet d'intégrer l'électronique sur des substrats souples, comme des vêtements, des chaussures, et des bracelets pour la surveillance en temps réel des diagnostics biomédicaux et des performances sportives. Ces matériaux ont la bonne combinaison de propriétés pour réaliser des appareils électroniques portables."

Lui et ses collègues travaillent également sur les technologies énergétiques, tels que les cellules solaires et les batteries "qui peuvent améliorer l'efficacité et réduire le coût des cellules solaires, et augmenter la capacité et réduire le temps de charge des batteries, " dit-il. " Les batteries et les cellules solaires qui en résultent sont également mécaniquement flexibles, et peut donc être intégré à une électronique flexible."

Ils s'avéreront probablement même étanches. "Il s'avère que les nanomatériaux de carbone sont hydrophobes, donc l'eau va rouler tout droit d'eux, " il dit.

Les matériaux à l'échelle nanométrique « peuvent désormais réaliser de nouvelles propriétés et combinaisons de propriétés sans précédent, " ajoute-t-il. " Cela permettra non seulement d'améliorer les technologies actuelles, mais permettre de nouvelles technologies à l'avenir."