(Phys.org) —Pour la première fois, les scientifiques ont découvert comment produire des « nanofils de diamant » ultra-fins qui promettent des propriétés extraordinaires, y compris une résistance et une rigidité supérieures à celles des nanotubes et polymères les plus résistants d'aujourd'hui. Un article décrivant cette découverte par une équipe de recherche dirigée par John V. Badding, professeur de chimie à Penn State, a été publié dans le numéro du 21 septembre de la revue Matériaux naturels .

« Du point de vue des sciences fondamentales, notre découverte est intrigante car les fils que nous avons formés ont une structure jamais vue auparavant, " a déclaré Badding. Le noyau des nanothreads que l'équipe de Badding a fabriqués est un long, mince brin d'atomes de carbone disposés comme l'unité fondamentale de la structure d'un diamant - anneaux en zigzag "cyclohexane" de six atomes de carbone liés ensemble, dans lequel chaque carbone est entouré par d'autres dans la forte forme de pyramide triangulaire d'un tétraèdre. "C'est comme si un bijoutier incroyable avait enfilé les plus petits diamants possibles dans un long collier miniature, " Badding a dit. "Parce que ce fil a un cœur de diamant, nous nous attendons à ce qu'il se révèle extraordinairement rigide, extraordinairement fort, et extraordinairement utile."

La découverte de l'équipe intervient après près d'un siècle de tentatives infructueuses d'autres laboratoires pour compresser des molécules contenant du carbone distinctes comme le benzène liquide dans un ordre, nanomatériau semblable au diamant. "Nous avons utilisé le grand appareil à haute pression Paris-Édimbourg du laboratoire national d'Oak Ridge pour compresser une quantité de benzène de 6 millimètres de large, une quantité gigantesque par rapport aux expériences précédentes, " a déclaré Malcolm Guthrie de la Carnegie Institution for Science, un co-auteur du document de recherche. "Nous avons découvert que la libération lente de la pression après une compression suffisante à température ambiante normale donnait aux atomes de carbone le temps dont ils avaient besoin pour réagir les uns avec les autres et se lier dans une chaîne hautement ordonnée de tétraèdres de carbone à file unique, formant ces nanofils à noyau de diamant."

L'équipe de Badding est la première à amadouer des molécules contenant des atomes de carbone pour former la forte forme de tétraèdre, puis reliez chaque tétraèdre bout à bout pour former un long, nanofil mince. Il décrit la largeur du fil comme incroyablement petite, seulement quelques atomes à travers, des centaines de milliers de fois plus petit qu'une fibre optique, énormément plus mince qu'un cheveu humain moyen. "La théorie de notre co-auteur Vin Crespi suggère que c'est potentiellement le plus fort, matériau le plus rigide possible, tout en étant léger, " il a dit.

La molécule qu'ils ont comprimée est le benzène, un anneau plat contenant six atomes de carbone et six atomes d'hydrogène. Le nanofil à noyau de diamant résultant est entouré d'un halo d'atomes d'hydrogène. Pendant le processus de compression, les scientifiques rapportent, les molécules plates de benzène s'empilent, plier et casser. Puis, alors que les chercheurs relâchent lentement la pression, les atomes se reconnectent d'une manière entièrement différente mais très ordonnée. Le résultat est une structure qui a du carbone dans la configuration tétraédrique du diamant avec des hydrogènes suspendus sur le côté et chaque tétraèdre lié à un autre pour former un long, mince, nanofil.

"C'est vraiment surprenant que ce genre d'organisation se produise, " Badding a déclaré. "Que les atomes des molécules de benzène se lient entre eux à température ambiante pour former un fil est choquant pour les chimistes et les physiciens. Considérant des expériences antérieures, nous pensons que, lorsque la molécule de benzène se brise sous très haute pression, ses atomes veulent s'accrocher à autre chose mais ils ne peuvent pas se déplacer car la pression supprime tout l'espace entre eux. Ce benzène devient alors hautement réactif de sorte que, quand on relâche la pression très lentement, une réaction de polymérisation ordonnée se produit qui forme le nanofil à noyau de diamant."

Les scientifiques ont confirmé la structure de leurs nanofils de diamant avec un certain nombre de techniques à Penn State, Oak Ridge, Université d'État de l'Arizona et Carnegie Institution for Science, y compris la diffraction des rayons X, diffraction des neutrons, Spectroscopie Raman, calculs du premier principe, microscopie électronique à transmission et résonance magnétique nucléaire (RMN) à l'état solide. Certaines parties de ces premiers nanofils de diamant semblent être un peu moins que parfaites, l'amélioration de leur structure est donc un objectif permanent du programme de recherche de Badding. Il veut aussi découvrir comment en faire plus. "Les pressions élevées que nous avons utilisées pour fabriquer le premier matériau de nanofil de diamant limitent notre capacité de production à seulement quelques millimètres cubes à la fois, donc on n'en fait pas encore assez pour être utile à l'échelle industrielle, " Badding a déclaré. "L'un de nos objectifs scientifiques est de supprimer cette limitation en déterminant la chimie nécessaire pour fabriquer ces nanofils de diamant dans des conditions plus pratiques."

Le nanofil pourrait également être le premier membre d'une nouvelle classe de nanomatériaux de type diamant basés sur un solide noyau tétraédrique. "Notre découverte que nous pouvons utiliser l'alignement naturel des molécules de benzène pour guider la formation de ce nouveau matériau de nanofil de diamant est vraiment intéressante car elle ouvre la possibilité de fabriquer de nombreux autres types de molécules à base de carbone et d'hydrogène, " Badding a déclaré. "Vous pouvez attacher toutes sortes d'autres atomes autour d'un noyau de carbone et d'hydrogène. Le rêve est de pouvoir ajouter d'autres atomes qui seraient incorporés dans le nanothread résultant. En pressurisant le liquide que nous concevons, nous pourrons peut-être fabriquer un nombre énorme de matériaux différents."

Les applications potentielles qui intéressent le plus Badding sont celles qui seraient grandement améliorées en ayant des des matériaux rigides et légers, notamment ceux qui pourraient contribuer à protéger l'atmosphère, y compris briquet, véhicules plus économes en carburant et donc moins polluants. « L'un de nos rêves les plus fous pour les nanomatériaux que nous développons est qu'ils pourraient être utilisés pour fabriquer du super-fort, des câbles légers qui rendraient possible la construction d'un "ascenseur spatial", qui jusqu'à présent n'a existé qu'en tant qu'idée de science-fiction, ", a déclaré Badding.