La simulation théorique d'une équipe de recherche internationale de la synthèse de nanotubes de carbone monoparoi a révélé des détails importants sur les mécanismes en jeu. Cela pourrait conduire à de meilleurs moyens de contrôler la production de nanotubes de carbone.

La synthèse de nanotubes de carbone (CNT), en vue de leur production à l'échelle industrielle, suscite un vif intérêt scientifique. Leurs propriétés chimiques uniques promettent une grande variété d'utilisations révolutionnaires en acoustique, biomédical, électronique, environnemental, technologies optiques et structurelles.

Dirigé par le professeur Stephan Irle de l'Institut des biomolécules transformatrices de l'Université de Nagoya, une équipe de chercheurs au Japon, les États-Unis et la Chine ont mené des simulations informatiques qui montrent des mécanismes moléculaires similaires à l'œuvre dans la croissance des nanotubes de carbone et la combustion d'hydrocarbures pour former de la suie. Cette découverte remet en question une idée précédemment acceptée selon laquelle les carbures métalliques sont nécessaires pour créer des nanotubes, par un processus appelé dépôt chimique en phase vapeur.

Les propres modèles de l'équipe suggèrent que des processus chimiques alternatifs tels que l'extraction d'hydrogène/l'addition d'acétylène – un mécanisme souvent observé dans les processus de combustion – pourraient également être utilisés pour faire croître des nanotubes de carbone. "Cette découverte est très intrigante dans le sens où ces processus ont longtemps été considérés comme procédant par des mécanismes complètement différents, " dit le professeur Irle.

En 2014, l'équipe a rapporté les premières simulations de croissance de la synthèse de nanotubes de carbone à paroi unique, en utilisant l'acétylène comme matière première. Leur modèle de simulation utilisait de l'acétylène en raison des températures relativement basses nécessaires pour catalyser le dépôt chimique en phase vapeur, et parce que même de petites quantités accélèrent considérablement les réactions. Selon les chercheurs, leur modélisation suggère que le rôle potentiel de l'acétylène nécessite une étude plus approfondie, tout comme le modèle actuellement accepté pour la production de nanotubes de carbone.

Depuis la publication de leurs résultats, les chercheurs ont commencé à modéliser la synthèse du graphène – une couche de carbone pur d'une épaisseur d'un atome – en utilisant du nickel et du cuivre avec un catalyseur au méthane. Ils espèrent publier publiquement le nouveau modèle de simulation - basé sur une version directe d'une simulation cinétique de Monte Carlo où les canaux de réaction sont prédits automatiquement à la volée au fur et à mesure que le processus de croissance progresse - en 2015.

Les nanotubes de carbone sont des nanocylindres constitués de feuilles de carbone (ou graphène) d'une épaisseur d'un atome. Ils sont actuellement utilisés comme additifs pour renforcer divers matériaux de structure, et peut également être utilisé pour le stockage d'énergie ainsi que dans la prochaine génération de dispositifs nanoélectroniques et biomédicaux. Les NTC sont souvent synthétisés par dépôt chimique en phase vapeur, dans lequel la vapeur d'hydrocarbure est déposée sur des catalyseurs métalliques sous un flux de gaz non réactif à haute température. Cependant, le contrôle de la qualité est un défi car cette méthode aboutit généralement à la production de NTC avec des diamètres variables et des structures de parois latérales différentes.