Dans la volonté de miniaturiser l'électronique, les solénoïdes sont devenus beaucoup trop gros, disent les scientifiques de l'Université Rice qui ont découvert que le composant essentiel peut être réduit à la taille nanométrique avec des performances à l'échelle macro.

Le secret réside dans une forme en spirale de graphène ultra-mince qui, remarquablement, peut être trouvé dans la nature, selon le physicien théoricien Rice Boris Yakobson et ses collègues.

"D'habitude, nous déterminons les caractéristiques des matériaux que nous pensons être réalisables, mais cette fois nous regardons une configuration qui existe déjà, " dit Yakobson. " Ces spirales, ou des luxations de vis, se forment naturellement dans le graphite au cours de sa croissance, même dans le charbon commun.

Les chercheurs ont déterminé que lorsqu'une tension est appliquée, le courant circulera autour du chemin hélicoïdal et produira un champ magnétique, comme c'est le cas dans les macro-inducteurs-solénoïdes. La découverte est détaillée dans un nouvel article de la revue American Chemical Society Lettres nano .

"On peut comparer la structure à un parking de grande hauteur pour les électrons, mais sans places de parking, donc les électrons passent juste à travers, " Dit Yakobson. " Ou vous pouvez dire qu'il ressemble à la vis d'Archimède - qui tourne afin de pomper l'eau vers le haut - mais remplie d'électricité à la place.

« Peut-être que cela pourrait fonctionner à l'envers ici :un courant d'électrons, pompé par la tension appliquée, dans certaines conditions, peut juste faire tourner la spirale de graphène, comme une petite électro-turbine rapide, " il a dit.

Les solénoïdes sont des fils enroulés autour d'un noyau métallique. Ils produisent un champ magnétique lorsqu'ils transportent du courant, les transformer en électro-aimants. Ceux-ci sont répandus dans les appareils électroniques et mécaniques, des circuits imprimés aux transformateurs en passant par les voitures. Ils servent aussi d'inducteurs, composants primaires dans les circuits électriques qui régulent le courant, et dans leur plus petite forme font partie des circuits intégrés. (Le bloc dans les câbles d'alimentation qui alimentent les appareils électroniques contient des inducteurs.)

Alors que les transistors deviennent de plus en plus petits, les inductances de base en électronique sont devenues relativement encombrantes, dit Fangbo Xu, un ancien élève de Rice et auteur principal de l'article. "C'est la même chose à l'intérieur des circuits, " at-il dit. " Les inducteurs en spirale commerciaux sur silicium occupent une surface excessive. Si réalisé, les nano-solénoïdes de graphène pourraient changer cela."

Les nano-solénoïdes analysés par des modèles informatiques à Rice devraient être capables de produire des champs magnétiques puissants d'environ 1 tesla, à peu près les mêmes que les bobines trouvées dans les haut-parleurs typiques, selon Yakobson et son équipe. Ils ont découvert que le champ magnétique serait le plus fort dans le creux, cavité nanométrique au centre de la spirale.

La forme en spirale est attribuable à une simple astuce topologique, il a dit. Le graphène est constitué de réseaux hexagonaux d'atomes de carbone. Des hexagones mal formés connus sous le nom de dislocations le long d'un bord forcent le graphène à se tordre sur lui-même, semblable à un nanoruban continu qui imite une construction mathématique connue sous le nom de surface de Riemann.

Les chercheurs ont démontré théoriquement comment l'énergie circulerait à travers les hexagones dans des nano-solénoïdes avec des bords en fauteuil ou en zigzag. Dans un cas, ils ont déterminé que les performances d'un inducteur spiralé conventionnel de 205 microns de diamètre pouvaient être égalées par un nano-solénoïde de 70 nanomètres de large - près de 10, 000, 000 fois plus petit.

Parce que le graphène n'a pas de bande interdite énergétique (ce qui donne à un matériau des propriétés semi-conductrices), l'électricité doit circuler sans aucune barrière. Mais en fait, la largeur de la spirale et la configuration des bords – en fauteuil ou en zigzag – influencent la répartition du courant, et donc ses propriétés inductives.

Les chercheurs ont suggéré qu'il devrait être possible d'isoler les dislocations de vis de graphène à partir de cristaux de carbone graphitique (graphène en vrac), mais inciter les feuilles de graphène à pousser en spirale permettrait un meilleur contrôle de ses propriétés, dit Yakobson.

Xu a suggéré que les nano-solénoïdes peuvent également être utiles comme relais moléculaires ou pièges commutables pour les molécules magnétiques ou les radicaux dans les sondes chimiques.