Les propriétés calculées d'un hybride tridimensionnel de nanotubes de graphène et de nitrure de bore auraient des propriétés pseudomagnétiques, selon des chercheurs de l'Université Rice et de l'École polytechnique de Montréal. Crédit :Shahsavari Lab/Rice University
Le développement de nouveaux matériaux à partir des atomes est plus rapide lorsque certains essais et erreurs sont éliminés. Une nouvelle étude de l'Université Rice et de l'École polytechnique de Montréal vise à le faire pour les hybrides de graphène et de nitrure de bore.
Le scientifique des matériaux de riz Rouzbeh Shahsavari et Farzaneh Shayeganfar, chercheur postdoctoral à l'École polytechnique de Montréal, conçu des simulations informatiques qui combinent le graphène, la forme de carbone à épaisseur atomique, avec des nanotubes de carbone ou de nitrure de bore.
Leur espoir est que ces hybrides puissent tirer parti des meilleurs aspects de leurs matériaux constitutifs. Définir les propriétés de diverses combinaisons simplifierait le développement pour les fabricants qui souhaitent utiliser ces matériaux exotiques dans l'électronique de nouvelle génération. Les chercheurs ont découvert non seulement des propriétés électroniques mais aussi magnétiques qui pourraient être utiles.
Leurs résultats paraissent dans la revue Carbone .
Le laboratoire de Shahsavari étudie les matériaux pour voir comment ils peuvent être rendus plus efficaces, fonctionnel et respectueux de l'environnement. Ils comprennent des matériaux à grande échelle comme le ciment et la céramique, ainsi que des hybrides à l'échelle nanométrique dotés de propriétés uniques.
"Que ce soit à l'échelle macro ou micro, si nous pouvons savoir précisément ce que fera un hybride avant que quelqu'un ne se donne la peine de le fabriquer, nous pouvons économiser de l'argent et du temps et peut-être permettre de nouvelles propriétés impossibles avec l'un des composants, " a déclaré Shahsavari.
Des chercheurs de l'Université Rice et de l'École polytechnique de Montréal ont analysé les effets électromagnétiques des jonctions entre les nanotubes et les feuilles de graphène. De haut en bas, un hybride graphène/nanotube de carbone avec des jonctions à sept chaînons, un hybride graphène/nanotube de carbone avec des jonctions à huit chaînons et un hybride graphène/BNNT avec des jonctions à huit chaînons. Crédit :Shahsavari Lab/Rice University
Les modèles informatiques de son laboratoire simulent comment les énergies intrinsèques des atomes s'influencent mutuellement lorsqu'ils se lient en molécules. Pour le nouveau travail, les chercheurs ont modélisé des structures hybrides de graphène et de nanotubes de carbone et de nanotubes de graphène et de nitrure de bore.
"Nous voulions étudier et comparer les propriétés électroniques et potentiellement magnétiques de différentes configurations de jonction, y compris leur stabilité, bandes interdites électroniques et transfert de charge, ", a-t-il déclaré. "Ensuite, nous avons conçu trois nanostructures différentes avec une géométrie de jonction différente."
Deux étaient des hybrides avec des couches de graphène reliées de manière transparente à des nanotubes de carbone. L'autre était similaire mais, pour la première fois, ils ont modélisé un hybride avec des nanotubes de nitrure de bore. La façon dont les feuilles et les tubes ont fusionné a déterminé les propriétés de l'hybride. Ils ont également construit des versions avec des nanotubes pris en sandwich entre des couches de graphène.
Le graphène est un conducteur parfait lorsque ses atomes s'alignent en anneaux hexagonaux, mais le matériau devient tendu lorsqu'il se déforme pour accueillir des nanotubes dans des hybrides. Les atomes équilibrent leurs énergies à ces jonctions en formant cinq, anneaux à sept ou huit membres. Ceux-ci induisent tous des changements dans la façon dont l'électricité circule à travers les jonctions, transformer le matériau hybride en un précieux semi-conducteur.
Les calculs des chercheurs leur ont permis de cartographier un certain nombre d'effets. Par exemple, il s'est avéré que les jonctions du système hybride créent des champs pseudomagnétiques.
"Le champ pseudomagnétique dû à la contrainte a été signalé plus tôt pour le graphène, mais pas ces nanostructures hybrides de nitrure de bore et de carbone où la contrainte est inhérente au système, ", a déclaré Shahsavari. Il a noté que l'effet pourrait être utile dans les applications de spintronique et de nano-transistor.
"Le champ pseudomagnétique fait circuler les porteurs de charge dans l'hybride comme s'ils étaient sous l'influence d'un champ magnétique externe appliqué, " dit-il. " Ainsi, compte tenu de la flexibilité exceptionnelle, résistance et conductivité thermique des systèmes hybrides carbone et nitrure de bore, nous proposons que le champ pseudomagnétique peut être un moyen viable de contrôler la structure électronique de nouveaux matériaux."
Tous les effets servent de feuille de route pour les applications de nano-ingénierie, dit Shahsavari.
« Nous posons les bases d'une gamme d'architectures hybrides accordables, notamment pour le nitrure de bore, qui est aussi prometteur que le graphène mais beaucoup moins exploré, " a-t-il dit. " Les scientifiques étudient les structures tout en carbone depuis des années, mais le développement du nitrure de bore et d'autres matériaux bidimensionnels et leurs diverses combinaisons les uns avec les autres nous offre un riche ensemble de possibilités pour la conception de matériaux aux propriétés jamais vues auparavant. »
Shahsavari est professeur adjoint de génie civil et environnemental et de science des matériaux et nano-ingénierie.
