Cultiver un lot de nanotubes de carbone qui sont tous les mêmes n'est peut-être pas aussi simple que les chercheurs l'avaient espéré, selon les scientifiques de l'Université Rice.

Le théoricien des matériaux de riz Boris Yakobson et son équipe ont démenti une théorie selon laquelle lors de la croissance de nanotubes dans un four, un catalyseur avec un arrangement atomique et une symétrie spécifiques produirait de manière fiable des nanotubes de carbone de la même chiralité, l'angle de son réseau d'atomes de carbone.

Au lieu, ils ont découvert que le catalyseur en question démarre des nanotubes avec une variété d'angles chiraux mais les redirige presque tous vers une variante à croissance rapide connue sous le nom de (12, 6). La cause semble être une interface de type Janus qui est composée de segments de fauteuil et de zigzag et modifie finalement la façon dont les nanotubes se développent.

Parce que la chiralité détermine les propriétés électriques d'un nanotube, la capacité de cultiver des lots chiraux spécifiques est un Saint Graal de la nanotechnologie. Cela pourrait conduire à des fils qui, contrairement au cuivre ou à l'aluminium, transmettre l'énergie sans perte. Les nanotubes croissent généralement dans des chiralités aléatoires.

L'étude théorique de Rice détaillée dans la revue American Chemical Society Lettres nano pourrait être un pas vers des catalyseurs produisant des lots homogènes de nanotubes, dit Yakobson.

Yakobson et ses collègues Evgeni Penev et Ksenia Bets et l'étudiant diplômé Nitant Gupta ont abordé une énigme présentée par d'autres expérimentateurs lors d'un atelier de 2013 qui ont utilisé un alliage de cobalt et de tungstène pour catalyser des nanotubes à paroi unique. Dans le lot de ce labo, plus de 90 pour cent des nanotubes avaient une chiralité de (12, 6).

Les nombres (12, 6) sont des coordonnées qui font référence au vecteur chiral d'un nanotube. Les nanotubes de carbone sont des feuilles enroulées de graphène bidimensionnel. Le graphène est très conducteur, mais quand il est roulé dans un tube, sa conductivité dépend de l'angle - ou de la chiralité - de son réseau hexagonal.

Les nanotubes de fauteuil - ainsi appelés en raison de la forme de fauteuil de leurs bords - ont des indices chiraux identiques, comme (9, 9), et sont très recherchés pour leur parfaite conductivité. Ils sont différents des nanotubes en zigzag, tels que (16, 0), qui peuvent être des semi-conducteurs. Tourner une feuille de graphène à seulement 30 degrés changera le nanotube qu'elle forme du fauteuil au zigzag ou vice versa.

Penev a déclaré que les expérimentateurs ont expliqué leur travail "d'une manière qui était déroutante dès le début. Ils ont dit que ce catalyseur a une symétrie spécifique qui correspond à la (12, 6) bord, ces nanotubes nucléent et croissent donc préférentiellement. Ce fut l'émergence de l'idée d'appariement de symétrie de la croissance sélective des nanotubes de carbone.

"Nous avons lu et digéré cela, mais nous ne pouvions toujours pas nous en occuper, " il a dit.

Peu de temps après la conférence de 2013, le laboratoire Yakobson a publié sa propre théorie de la croissance des nanotubes, qui a montré que l'équilibre entre deux forces opposées - l'énergie du contact catalyseur-nanotube et la vitesse à laquelle les atomes s'attachent au tube en croissance à l'interface - sont responsables de la chiralité.

Cinq ans plus tard, cela s'avère tout aussi vrai dans leur nouveau papier, mais avec une torsion. Les calculs de Rice montrent que l'alliage Co7W6 favorise la formation de l'interface de type Janus qui assure le pli nécessaire au bord et permet aux atomes de carbone de se fixer à la fondation du nanotube. Mais le catalyseur force également le nanotube à incorporer des défauts qui modifient sa chiralité initiale à mi-chemin.

"Nous avons découvert deux choses, " Yakobson a déclaré. " L'un est que les types d'atomes de carbone à la base du nanotube se séparent en segments fauteuil et en zigzag. La seconde est la tendance à la formation de défauts qui animent la chiralité, ou hélicité, monnaie. Cela fait (12, 6) une sorte d'attracteur transitoire, au moins pendant de courtes expériences. S'ils pouvaient grandir pour toujours, (12, 6) les nanotubes finiraient par passer aux fauteuils."

Le modèle de croissance inhabituel aurait pu être diagnostiqué beaucoup plus tôt s'il n'y avait pas eu une faute de frappe séculaire qui nécessitait un travail de détective acharné.

"Le problème était dans une base de données en ligne standard qui donne la structure cristalline de cet alliage cobalt-tungstène, " dit Paris, co-auteur principal de l'article avec Penev. "Une entrée était erronée. Cela a tellement gâché la structure que nous ne pouvions pas l'utiliser dans nos calculs de théorie fonctionnelle de la densité."

Une fois qu'ils ont trouvé l'erreur, Bets et le co-auteur Gupta sont revenus à l'article allemand de 1938 qui a été le premier à détailler correctement la structure de Co7W6. Même avec ça en main, les calculs de l'équipe ont utilisé toute la puissance de calcul qu'ils ont pu trouver pour simuler les connexions énergétiques entre chaque atome du catalyseur et la charge d'alimentation en carbone.

"Nous avons compris que si nous avions effectué les calculs en série plutôt qu'en parallèle, ils auraient pris l'équivalent d'au moins 2, 000 ans de temps informatique, ", a déclaré Paris.

"Cet article est remarquable à bien des égards :dans le timing, la quantité de détails et les surprises que nous avons trouvées, " Penev a déclaré. "Nous n'avons jamais eu un projet comme celui-ci. Nous ne savons pas encore comment cela sera applicable à d'autres matériaux, mais nous y travaillons."

"Il y a quatre ou cinq papiers expérimentaux, assez récents, qui montrent également un changement de chiralité au cours de la croissance, " Bets dit. " En fait, car c'est un processus probabiliste, c'est essentiellement inévitable. Mais jusqu'à présent, cela n'a jamais été pris en compte dans l'étude théorique de la croissance."