Un processus de filtration simple a aidé les chercheurs de l'Université Rice à créer des films à l'échelle d'une plaquette de nanotubes de carbone fortement alignés et étroitement emballés.

Les scientifiques de Rice, avec le soutien du Laboratoire national de Los Alamos, ont fait des films de pouce de large densément emballés, nanotubes de carbone monoparoi enrichis en chiralité grâce à un processus révélé aujourd'hui dans Nature Nanotechnologie .

Dans la bonne solution de nanotubes et dans les bonnes conditions, les tubes s'assemblent par millions en longues rangées mieux alignées qu'on ne l'aurait cru possible, les chercheurs ont rapporté.

Les films minces offrent des possibilités de fabrication de dispositifs électroniques et photoniques flexibles (manipulant la lumière), a déclaré le physicien de Rice Junichiro Kono, dont le laboratoire a dirigé l'étude. Pensez à une puce informatique pliable, plutôt qu'un silicone fragile, et le potentiel devient clair, il a dit.

"Une fois que nous aurons des cristaux centimétriques constitués de nanotubes à chiralité unique, c'est ça, " dit Kono. " C'est le Saint Graal pour ce domaine. Depuis 20 ans, les gens ont cherché ça."

Le labo Rice se rapproche, il a dit, mais les films rapportés dans le document actuel sont « enrichis en chiralité » plutôt qu'en chiralité unique. Un nanotube de carbone est un cylindre de graphène, avec ses atomes disposés en hexagones. La façon dont les hexagones sont tournés définit la chiralité du tube, et qui détermine ses propriétés électroniques. Certains sont semi-conducteurs comme le silicium, et d'autres sont des conducteurs métalliques.

Un film parfaitement aligné, les nanotubes à simple chiralité auraient des propriétés électroniques spécifiques. Le contrôle de la chiralité permettrait des films accordables, Kono a dit, mais les nanotubes se développent par lots de types aléatoires.

Pour l'instant, les chercheurs de Rice utilisent un processus simple développé à l'Institut national des normes et de la technologie pour séparer les nanotubes par chiralité. Bien qu'il ne soit pas parfait, il suffisait de laisser les chercheurs fabriquer des films enrichis avec des nanotubes de différents types et diamètres, puis de fabriquer des polariseurs térahertz et des transistors électroniques.

Le laboratoire Rice a découvert la technique de filtration fin 2013 lorsque des étudiants diplômés et auteurs principaux Xiaowei He et Weilu Gao ont ajouté par inadvertance un peu trop d'eau à une suspension de nanotubes-tensioactifs avant de la faire passer à travers un filtre assisté par vide. (Les tensioactifs empêchent les nanotubes dans une solution de s'agglutiner.)

Le film qui s'est formé sur le filtre en papier a fait l'objet d'une enquête plus approfondie. "Weilu a vérifié le film avec un microscope électronique à balayage et a vu quelque chose d'étrange, " dit-il. Plutôt que de tomber au hasard sur le papier comme des bâtons de ramassage, les nanotubes - des millions - s'étaient réunis étroitement, rangées alignées.

"Cette première photo nous a donné un indice que nous pourrions avoir quelque chose de totalement différent, " Il a dit. Un an et plus de 100 films plus tard, les étudiants et leurs collègues avaient affiné leur technique pour fabriquer des plaquettes de nanotubes jusqu'à un pouce de large (limité uniquement par la taille de leur équipement) et de n'importe quelle épaisseur, de quelques à des centaines de nanomètres.

D'autres expériences ont révélé que chaque élément comptait :le type de papier filtre, la pression du vide et la concentration en nanotubes et en tensioactif. Nanotubes de toute chiralité et diamètre travaillé, mais chacun nécessitait des ajustements aux autres éléments pour optimiser l'alignement.

Les films peuvent être séparés du papier et lavés et séchés pour utilisation, les chercheurs ont dit.

Ils soupçonnent que les nanotubes de carbone à parois multiples et les nanotubes sans carbone comme le nitrure de bore fonctionneraient également.

Co-auteur Wade Adams, un chercheur principal à Rice spécialisé dans la science des polymères, a déclaré que la découverte est un pas en avant dans une longue quête de structures alignées.

"Ils ont formé ce qu'on appelle un monodomaine dans la technologie des cristaux liquides, dans laquelle toutes les molécules rigides s'alignent dans la même direction, " Adams a déclaré. "C'est étonnant. (Lauréat du prix Nobel Rice) Rick Smalley et moi avons travaillé très dur pendant des années pour fabriquer un monocristal de nanotubes, mais ces étudiants l'ont fait d'une manière qu'aucun de nous n'avait jamais imaginée."

Pourquoi les nanotubes s'alignent-ils ? Kono a déclaré que l'équipe étudie toujours les mécanismes de la nucléation, c'est-à-dire comment s'assemblent les premiers nanotubes sur le papier. "On pense que les nanotubes tombent au hasard au début, mais ils peuvent toujours glisser sur le papier, " dit-il. " La force de Van der Waals les rassemble, et ils recherchent naturellement leur état d'énergie la plus basse, qui est aligné." Parce que les nanotubes varient en longueur, les chercheurs soupçonnent que les surplombs forcent d'autres tubes à s'aligner lorsqu'ils rejoignent le réseau.

Les chercheurs ont découvert que leurs films terminés pouvaient être modelés avec des techniques de lithographie standard. C'est encore un plus pour les fabricants, dit Kono, qui a commencé à entendre parler de la découverte des mois avant la sortie du journal.

"J'ai donné une conférence invitée sur notre travail lors d'une conférence sur les nanotubes de carbone, et beaucoup de gens essaient déjà de reproduire nos résultats, " at-il dit. " J'ai reçu tellement de réponses enthousiastes juste après mon discours. Tout le monde a demandé la recette."