Les nanobobines de carbone (CNC) sont une classe exotique de nanocarbones de faible dimension dont la forme hélicoïdale peut les rendre adaptées à des applications telles que les absorbeurs de micro-ondes et divers composants mécaniques tels que les ressorts. Les épaisseurs et diamètres de bobine typiques des CNC se situent dans les plages de 100-400 nm et 400-1000 nm, respectivement, et leurs pleines longueurs sont beaucoup plus grandes, de l'ordre de quelques dizaines de micromètres. Malgré des travaux pionniers antérieurs, les relations entre la forme géométrique des CNC naturelles et leurs propriétés mécaniques et électriques, en particulier la résistivité électrique, ne sont pas bien compris.

Maintenant, chercheurs de Toyohashi Tech, Université de Yamanashi, Institut national de technologie, Collège de Gifu, et Tokai Carbon Co., Ltd. ont établi que la résistivité des CNC augmente avec le diamètre de la bobine. Cela a nécessité le développement d'une méthode précise de mesure de la résistivité, en utilisant un faisceau d'ions focalisé (FIB) et une technique de nanomanipulateur pour sélectionner un échantillon CNC avec la géométrie de bobine souhaitée, puis établir des connexions électriques fermes avec les électrodes de l'instrument. Toutes les données de résistivité obtenues avec les CNC étaient bien ajustées par une courbe prédite par une théorie connue sous le nom de variable range-hopping (VRH), qui convient aux matériaux désordonnés à basse température.

La recherche montre que l'intérieur de la nanobobine contient un matériau qui affecte ses propriétés électriques. Les scientifiques ont examiné 15 CNC individuelles, et trois CNC qui avaient été graphitées artificiellement pour leur donner une résistivité inférieure (G-CNC). Bien que la résistivité des CNC augmente avec le diamètre de la bobine, il était presque inchangé pour les G-CNC. En conséquence, pour les CNC avec les plus grands diamètres, la résistivité était presque deux ordres de grandeur plus grande que celle des versions graphitées. Cette grande différence de résistivité entre les CNC et les G-CNC indique une complexité structurelle importante à l'intérieur des CNC. Nos résultats impliquent que l'intérieur des CNC avec un grand diamètre de bobine est rempli d'un réseau de carbone hautement désordonné qui se compose de nombreuses petites régions (appelées domaines sp2) noyées dans une mer de carbone amorphe. Pour vérifier cette théorie, la dépendance à la température de la résistivité entre 4 K et 280 K a été examinée. Les données de résistivité obéissaient à deux versions différentes de la théorie VRH; le régime dans la plage de température de 50-280 K s'est avéré être la version dite Mott-VRH, tandis que celle dans la gamme de 4-20 K était la version Efros-Shklovskii-VRH. De façon intéressante, les courbes de résistivité se déplaçaient régulièrement entre les régimes à mesure que le diamètre de la bobine était modifié.

« Nous avons découvert ce comportement il y a trois ans. Grâce aux efforts de deux étudiants, nous avons inclus les données de résistivité pour les G-CNC et les nanofibres de carbone droites (CNF), et les a comparés aux données des CNC", explique le professeur agrégé Yoshiyuki Suda, "Je suis si heureux que le professeur Hiroyuki Shima et le Dr Tamio Iida aient rejoint cette étude. Nous avons obtenu les données de mesure à basse température et en avons discuté en utilisant la théorie VRH. Finalement, nous sommes arrivés à la conclusion que ce comportement est un phénomène unique pour les CNC et peut être adapté par VRH."

Le premier auteur, Étudiant en master Yasushi Nakamura, a commenté comment ils sont allés au-delà des mesures de résistivité CNC d'autres groupes. "C'était une tâche longue et difficile. J'ai dû préparer de nombreux échantillons CNC uniques à l'aide d'un appareil à faisceau d'ions focalisé. Notre découverte a été obtenue en établissant un système de mesure précis à l'aide d'un microscope électronique à balayage et en acquérant des données de résistivité pour de nombreuses CNC uniques. "

Les résultats actuels du groupe sur la résistivité sont en accord qualitatif avec leurs conclusions précédentes sur les propriétés mécaniques des CNC :Des expériences de charge de traction ont montré que leur module de cisaillement augmente avec le diamètre de la bobine. La corrélation positive entre le module de cisaillement et le diamètre de la bobine est peut-être due au fait que dans les CNC de grand diamètre, la population des domaines sp2, qui sont fragiles contre les efforts de cisaillement, est réduite par rapport aux CNC de petit diamètre.

Ces résultats impliquent que, avec des nanobobines, la résistance ainsi que l'inductance sont définies par des facteurs géométriques. En particulier, diamètre de la bobine, terrain, et la longueur sont importantes. La corrélation trouvée peut être utilisée pour améliorer le contrôle de la fréquence de crête de l'absorption des ondes électromagnétiques, dans laquelle une gamme particulière de fréquences (~GHz) est absorbée, en fonction des propriétés d'impédance.

Ces découvertes ouvrent la voie aux nanodispositifs à commande numérique, allant des absorbeurs d'ondes électromagnétiques aux nano-solénoïdes et aux ressorts mécaniques extra-sensibles.