Des chercheurs de l'Université Rice ont testé la rigidité de jonctions individuelles de nanotubes avec un microscope électronique à balayage et un picoindenteur combinés. Cela leur a permis d'analyser des nanotubes en temps réel. Crédit :Evgeni Penev/Université du riz
Peu importe l'ABC. Les scientifiques de l'Université Rice intéressés par les nanotubes étudient leurs XY.
Les nanotubes de carbone cultivés dans un four ne sont pas toujours rectilignes. Parfois, ils se courbent et se plient, et parfois ils bifurquent dans plusieurs directions. Les chercheurs de Rice ont réalisé qu'ils disposaient désormais des outils nécessaires pour examiner à quel point ces branches sont résistantes.
Ils ont utilisé des expériences et des simulations pour étudier la rigidité des nanotubes joints et ont trouvé des différences significatives qui sont définies par leurs formes. Il s'est avéré que certains types sont plus résistants que d'autres, et que tous peuvent avoir leur utilité si et quand les nanotubes sont utilisés pour construire des structures à grande échelle.
L'équipe dirigée par le scientifique des matériaux Rice Pulickel Ajayan et le physicien théoricien Boris Yakobson ont nommé leurs nanotubes pour leurs formes :I pour les nanotubes droits, Y pour ramifié, X pour les tubes joints de manière covalente qui se croisent, le symbole lambda (un "V" à l'envers) pour les nanotubes qui se joignent à n'importe quel angle et le symbole oméga (Ω) pour les tubes non covalents qui se lient à travers van der Waals et d'autres forces.
Ils ont déclaré que la synthèse ciblée de cet "alphabet des nanotubes" pourrait fournir du matériel pour les futures structures à l'échelle nanométrique avec des mécanismes accordables.
L'étude a été publiée par l'American Chemical Society Lettres nano .
"Nous avions besoin d'une sorte de langage pour décrire la configuration spécifique des jonctions, alors nous avons pensé, 'Utilisons des lettres, '", a déclaré Evgeni Penev, un co-auteur et chercheur dans le groupe de Yakobson.
Chandra Sekhar Tiwary, chercheur postdoctoral au laboratoire Ajayan, a poussé les jonctions de nanotubes avec un PicoIndenter qui mesure la force et le déplacement en nanonewtons (milliards de newton, une unité de force) et des nanomètres. Le PicoIndenter a été installé sur un microscope électronique à balayage chez Hysitron, une entreprise de fabrication et de test d'instruments de test nanomécanique à Minneapolis.
Les nanotubes cultivés par l'étudiant diplômé de Rice, Sehmus Ozden, ont été dispersés dans une solution, séché sur silicium et placé sous le microscope, où Tiwary les a scannés à la recherche de "lettres" de candidats. Il devait ensuite s'assurer que ces candidats étaient des unités uniques et pas seulement deux nanotubes séparés. "L'espace entre les tubes pouvait être aussi petit que 1 nanomètre mais la résolution du microscope était de 5 nanomètres, il fallait donc ramasser un côté (des nanotubes) pour être sûr qu'ils étaient bien soudés, " dit-il. " Si les nanotubes se séparaient facilement, nous sommes passés au candidat suivant."
Les scientifiques de l'Université Rice ont utilisé un picoindenteur pour mesurer la rigidité des jonctions dans un « alphabet » de nanotubes. Ils ont déterminé que ses lettres supportent la tension à des degrés divers en fonction de leur forme. Crédit :Evgeni Penev/Université du riz
Appliquer la sonde à un endroit particulier sur un nanotube individuel était un test de patience, dit Tiwary. Une fois qu'un bon candidat est apparu, lui et le scientifique principal et co-auteur d'Hysitron, Sanjit Bhowmick, se sont concentrés sur la jonction et, plus de 20 minutes, appliqué lentement et relâché suffisamment de pression pour le comprimer sans le casser. "Dans les vieux jours, ces tests ont utilisé la force brute, mais les nouveaux outils sont remarquables, " a déclaré Tiwary. "Nous avons pu observer pendant que nous compressions les nanotubes."
Parmi les tubes liés atomiquement, ils ont découvert que les X étaient les plus rigides et les plus capables de reprendre presque leurs formes d'origine. Viennent ensuite les Y, puis les lambdas à n'importe quel angle, mais tous se sont retrouvés avec des bosses en raison de liens nouvellement créés entre les murs intérieurs. Les je et les omégas, sans liaisons covalentes les reliant à d'autres nanotubes, sont revenus à leurs configurations d'origine.
Les expérimentateurs se sont tournés vers l'étudiant diplômé Yang Yang du groupe théorique de Yakobson pour aider à comprendre le mécanisme par lequel les nanotubes ont géré le stress. Yang a créé au niveau de l'atome, modèles informatiques à triple paroi de chaque "lettre" et testé leur force avec des sondes virtuelles.
« Dans les expériences, nous obtenons ce qui se passe quantitativement, mais ils ne peuvent pas nous dire ce qui se passe à l'intérieur des tubes, " dit Tiwary. " Jusqu'à ce qu'ils fassent les calculs, nous ne savions pas vraiment comment se comportaient les jonctions de nanotubes de carbone."
Un picoindenteur s'approche de la jonction d'un nanotube ramifié dans une expérience menée par des scientifiques de l'Université Rice. Les chercheurs ont découvert que ces « lettres » de nanotubes supportent la contrainte à des degrés divers selon leur forme. Crédit :Hysitron
La réponse avait à voir avec la géométrie atomique aux jonctions. Là où les nanotubes se rejoignent, les atomes de carbone qui se réunissent normalement dans des cycles à six membres sont souvent contraints de changer de configuration, s'adapter aux anneaux à cinq et sept membres (appelés dislocations) pour rester dans l'état d'énergie la plus basse.
Le nombre de dislocations nécessaires pour réaliser une branche de nanotube est différent pour chaque angle. Parce que les dislocations prennent le poids de la force, ces variations déterminent la rigidité globale de la lettre nanotube, ils ont déterminé.
Des recherches antérieures du groupe de Yakobson ont révélé que, bien que le graphène, l'épaisseur atomique, forme de carbone en forme de fil de poulet, est extraordinairement fort, il ne s'étire pas très bien. Mais les nouvelles simulations ont également montré que les parois locales des nanotubes (qui sont essentiellement du graphène enroulé) s'étirent suffisamment pour répartir la contrainte appliquée aux jonctions.
Penev a suggéré que les tapis de nanotubes de certaines lettres pourraient avoir des avantages matériels. « Imaginez si tous les nanotubes étaient en forme de « Y » à l'envers, " at-il dit. " Un tel tapis serait beaucoup plus difficile à écraser sous pression. "
Une question est maintenant de savoir si les scientifiques peuvent produire des lots de lettres homogènes. « Pouvons-nous avoir tous les Y et les aligner parfaitement ? Ou pouvons-nous avoir toutes les interconnexions X et ensuite créer une structure ? » demanda Tiwary. "Ce sera le prochain défi, mais c'est juste une question de gens qui y consacrent du temps. Je suis optimiste."
