Alors que les appareils électroniques continuent de rétrécir pour répondre à la demande de technologies portables et de poche, les scientifiques travaillent à développer les composants minuscules qui les font fonctionner et une équipe de l'Université de Nottingham a développé une nouvelle approche pour la préparation d'un câble coaxial autour de 50, 000 fois plus étroit que la largeur d'un cheveu humain.

Ce fil minuscule – comprenant un nanotube de carbone situé à l'intérieur d'un nanotube de nitrure de bore – peut être réalisé à l'échelle préparative et peut représenter une étape importante vers la miniaturisation des appareils électroniques.

L'équipe multinationale d'experts du Royaume-Uni et de la Hongrie, était dirigé conjointement par Andrei Khlobystov, professeur de nanomatériaux et directeur du Nanoscale and Microscale Research Center (nmRC) de l'Université de Nottingham, et Graham Rance, un chercheur en caractérisation des nanomatériaux au nmRC, qui possèdent une expertise complémentaire dans la synthèse et la caractérisation des nanomatériaux carbonés. L'étude intitulée "Croissance des nanotubes de carbone à l'intérieur des nanotubes de nitrure de bore par coalescence de fullerènes :vers le plus petit câble coaxial du monde" a été publiée dans Petites méthodes , une nouvelle revue axée sur les développements de pointe dans les approches expérimentales de la production de matériaux à l'échelle nanométrique et microscopique.

Les câbles coaxiaux - essentiels pour le transport sûr du courant électrique qui alimentent les appareils modernes - sont généralement constitués d'un conducteur interne (généralement en cuivre) entouré d'une gaine en plastique isolante. Cependant, à mesure que la demande des consommateurs pour des appareils électroniques plus petits augmente, la limite d'utilisation de ces matériaux actuels est rapidement atteinte. Le cuivre, par exemple, est connu pour perdre sa conductivité élevée lorsqu'il est réduit à de très petites tailles et donc de nouveaux matériaux sont de plus en plus importants.

Fils miniatures

Les nanotubes de carbone sont forts, léger et, le plus important, fils miniatures hautement conducteurs électriquement, généralement de 1 à 5 nanomètres de diamètre, mais jusqu'à des centimètres de longueur, et sont idéales pour le noyau d'un câble nanométrique isolé. Nanotubes de nitrure de bore, tout en étant structurellement similaire aux nanotubes de carbone, par comparaison sont électriquement isolants, parfait pour entourer le noyau conducteur. Le défi consistait à disposer ces deux matériaux à l'échelle nanométrique l'un dans l'autre dans la géométrie coaxiale requise. Cette recherche a montré qu'en plaçant de petites, en forme de ballon de football, des molécules riches en carbone (fullerènes C60) à l'intérieur des nanotubes de nitrure de bore et en chauffant les matériaux résultants à des températures très élevées (supérieures à 1000 oC), les fullerènes se transforment spontanément en nanotubes de carbone, conduisant à la formation d'un nanotube de carbone électriquement conducteur à l'intérieur d'un nanotube de nitrure de bore électriquement isolant – le plus petit câble coaxial au monde.

Le professeur Khlobystov a déclaré :« Actuellement, la plupart des technologies modernes dépendent fortement de l'utilisation de métaux, dont certains deviennent de plus en plus rares et coûteux. Par conséquent, il est nécessaire de travailler au remplacement des métaux par des éléments plus abondants et durables, tels que le carbone et d'autres éléments légers. Notre étude démontre le principe de la façon dont des câbles nanométriques avec des noyaux conducteurs et des coques isolantes peuvent être fabriqués à partir d'ingrédients simples. Le prochain défi est de tester leurs propriétés électriques et mécaniques pour déterminer la portée de ces matériaux pour des applications technologiques. »

Large gamme d'applications

Le Dr Rance a déclaré :« Notre approche pour la préparation d'un câble coaxial miniaturisé explore davantage la capacité des tubules nanométriques creux à contrôler la formation de nanostructures nouvelles et intéressantes à l'intérieur de la cavité interne, certains qui ne peuvent pas être préparés d'une autre manière. A un niveau fondamental, cette recherche nous aide à comprendre le comportement des molécules lorsqu'elles sont confinées dans de très petits espaces; cependant, sur un plan plus pratique, nous prévoyons que cette stratégie conduira à la production de nouveaux matériaux, avec des applications potentiellement larges, de l'électronique nanométrique, aux matériaux catalytiques et aux dispositifs de détection.

La recherche a été menée par des experts en chimie synthétique et analytique, la science des matériaux et la microscopie électronique et construit le concept de tubes à essai nano de carbone développé par le professeur Khlobystov (tubes à essai les plus minuscules du monde, Livre Guinness des records du monde 2005), où le nanotube agit à la fois comme un conteneur pour les molécules et un réacteur pour les transformations chimiques. Ses travaux de pionnier sur les nano-conteneurs et nano-réacteurs de carbone continuent de conduire à de nouvelles façons de diriger l'assemblage moléculaire et d'étudier les réactions chimiques.

Professeur Katalin Kamaras, Professeur de recherche et expert en spectroscopie vibrationnelle a collaboré à la recherche, avec son équipe travaillant au Centre de recherche Wigner pour la physique de l'Académie hongroise des sciences à Budapest. Le professeur Kamaras a déclaré :« Mon groupe de recherche travaille depuis longtemps sur la spectroscopie des nanostructures de carbone. La spectroscopie apporte des connaissances sur la dynamique interne des molécules encapsulées et peut suivre leurs transformations en fonction de leurs propriétés physiques. Grâce à notre collaboration avec le Prof. Khlobystov, il est devenu possible de « voir » les structures sur lesquelles nous n'avions que des informations indirectes. Cette recherche conjointe a le potentiel d'ouvrir de nouvelles possibilités en science des matériaux fondamentale et appliquée. »

La recherche au Royaume-Uni a été réalisée au Centre de recherche à l'échelle nanométrique et microscopique (nmRC) de pointe. La vision du centre est de devenir une installation de classe mondiale pour la caractérisation et l'analyse de matériaux moléculaires à l'échelle nanométrique et microscopique. Avec une suite unique de 20 instruments majeurs, le centre est doté d'experts en médecine, formations scientifiques et techniques. Ils travaillent actuellement sur un large éventail de recherches allant des cellules cancéreuses et des implants médicaux imprimés en 3D aux semi-conducteurs et aux cellules solaires.