Dans un article récemment publié dans Avancées scientifiques , Feng Ding du Center for Multidimensional Carbon Materials et ses collègues ont réussi à créer un type spécifique de nanotubes de carbone (CNT) avec une sélectivité de 90 pour cent, et élargi la théorie actuelle qui explique la synthèse de ces nanocylindres prometteurs.

Les NTC sont des nanomatériaux incroyablement solides et légers en carbone avec une capacité de transport de courant supérieure et une conductivité thermique très élevée, ce qui les rend idéales pour les applications électroniques. Bien que les NTC soient considérés comme l'un des matériaux les plus intéressants pour l'avenir, les scientifiques luttent toujours pour leur synthèse contrôlable.

La forme des NTC peut être comparée à des tubes en papier, tout comme un cylindre peut être créé en roulant une feuille de papier, les NTC peuvent donc être imaginés comme une seule couche de graphite enroulée sur elle-même. Des tubes de formes différentes peuvent être produits en enroulant un papier autour de son côté long, son petit côté, ou en diagonale aux angles. Selon le sens de laminage, une couche de graphite peut produire différentes structures de NTC, certains sont conducteurs et d'autres semi-conducteurs; Donc, la création sélective d'un type spécifique de CNT sera la clé pour les applications futures, comme les puces informatiques écoénergétiques. Cependant, Les NTC ne sont pas produits par laminage, mais sont cultivés nanomètre par nanomètre, ajouter du carbone au bord des nanocylindres, un atome à la fois. Cependant, à ce jour, la compréhension de la croissance des NTC reste très limitée et la conception expérimentale rationnelle pour la croissance de types spécifiques de NTC est difficile.

L'une des méthodes de fabrication les plus prometteuses pour les NTC est le dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Dans ce processus, des nanoparticules métalliques combinées à des gaz carbonés forment des NTC à l'intérieur d'un four à haute température. Au bout des tubes, les nanoparticules métalliques jouent un rôle critique en tant que catalyseurs :elles dissocient la source de carbone des gaz, et aider à la fixation de ces atomes de carbone à la paroi des NTC, allonger les tubes. La croissance des NTC se termine une fois que la particule de catalyseur est encapsulée par du carbone graphitique ou amorphe.

Des atomes de carbone sont insérés à l'interface entre un NTC en croissance et une nanoparticule de catalyseur dans des sites actifs de la jante, et sont disponibles pour incorporer de nouveaux atomes. Un modèle précédent du taux de croissance des NTC a montré que ce dernier est proportionnel à la densité de ces sites actifs à l'interface entre les NTC et le catalyseur, ou la structure spécifique du CNT.

Dans cette étude, les chercheurs ont suivi la croissance régulière des NTC sur un support d'oxyde de magnésium (MgO) avec du monoxyde de carbone (CO) comme matière première de carbone et des nanoparticules de cobalt comme catalyseurs à 700 degrés C. Les mesures expérimentales directes de 16 NTC ont montré comment étendre la théorie précédente . "Il était surprenant que le taux de croissance d'un nanotube de carbone ne dépende que de la taille de la particule de catalyseur. Cela implique que notre compréhension précédente de la croissance des nanotubes de carbone n'était pas complète, " dit Maoshuai He, le premier auteur de l'article.

Plus précisement, les atomes de carbone déposés à la surface des particules de catalyseur peuvent être soit incorporés sur la face active du NTC soit éliminés par des agents de gravure, comme H 2 , H 2 , O 2 , ou CO 2 . Pour expliquer les nouvelles observations expérimentales, l'équipe a inclus les effets de l'insertion et de l'élimination du carbone pendant la croissance des NTC et a découvert que le taux de croissance dépend de la surface du catalyseur et du rapport de diamètre du tube.

"Par rapport au modèle précédent, nous avons ajouté trois autres facteurs :le taux de dépôt de précurseurs, le taux d'élimination du carbone par les agents de gravure, et le taux d'insertion de carbone dans une paroi de nanotube de carbone. Lorsque la dissociation de la matière première ne peut pas être compensée par une gravure au carbone, la vitesse de croissance des nanotubes de carbone ne dépendra plus de la structure du nanotube de carbone. D'autre part, la théorie précédente est toujours valable si la gravure est dominante, " explique Ding, un chef de groupe du Center for Multidimensional Carbon Materials.

De façon intéressante, la nouvelle théorie de la croissance des CNT conduit à un nouveau mécanisme pour faire croître sélectivement un type spécifique de CNT, noté (2n, n) les NTC, qui se caractérise par le nombre maximum de sites actifs à l'interface entre le NTC et le catalyseur. Cette structure CNT correspondrait à un laminage d'une feuille de graphite en diagonale selon un angle d'environ 19 degrés.

"S'il n'y a pas de gravure du carbone et que la croissance des nanotubes de carbone est lente, les atomes de carbone à la surface du catalyseur s'accumuleront, " dit Jin Zhang, co-auteur de l'étude et professeur à l'Université de Pékin, Chine. "Cela peut conduire à la formation de carbone graphitique ou amorphe, qui sont des mécanismes établis de terminaison de la croissance des nanotubes de carbone. Dans ce cas, uniquement des nanotubes de carbone capables d'ajouter des atomes de carbone sur leurs parois, c'est-à-dire avec le plus grand nombre de sites actifs - peut survivre."

Guidé par la nouvelle compréhension théorique, les chercheurs ont pu concevoir des expériences qui ont produit (2n, n) NTC avec une sélectivité allant jusqu'à 90 % :la croissance sélective la plus élevée de ce type de NTC a été obtenue en l'absence de tout agent de gravure et avec une concentration élevée de matière première.