Les cristaux de nanotubes de carbone ultrafins pourraient avoir des utilisations merveilleuses, comme convertir la chaleur perdue en électricité avec une efficacité presque parfaite, et les ingénieurs de l'Université Rice ont fait un grand pas vers cet objectif.

La dernière étape continue une histoire qui a commencé en 2013, lorsque Junichiro Kono de Rice et ses étudiants ont découvert une méthode révolutionnaire pour aligner des nanotubes de carbone en couches minces sur une membrane filtrante.

Les nanotubes sont longs, creux et notoirement enchevêtrés. Imaginez un tuyau d'arrosage de plusieurs dizaines de kilomètres de long, puis réduisez le diamètre du tuyau à la largeur de quelques atomes. Quiconque s'est déjà battu avec un tuyau noué peut apprécier l'exploit de Kono :lui et ses étudiants avaient transformé une foule de nanotubes indisciplinés en un collectif bien ordonné. De leur propre gré, et par milliards, les nanotubes étaient volontairement couchés côte à côte, comme des spaghettis secs dans une boîte.

Le problème? Kono et ses étudiants n'avaient aucune idée de pourquoi cela se produisait.

"C'était magique. Je veux dire, vraiment mystérieux, " dit Kono, un ingénieur électricien, physicien appliqué et scientifique des matériaux qui a étudié les nanotubes de carbone pendant plus de deux décennies. "Nous n'avions aucune idée de ce qui se passait réellement à l'échelle microscopique. Et surtout, nous ne savions même pas dans quelle direction les nanotubes allaient s'aligner."

Lui et son équipe ont publié leurs conclusions en 2016, et le terrain a pesé avec des explications possibles. La réponse, comme décrit dans un nouvel article de l'équipe et des collaborateurs de Kono au Japon, est à la fois inattendu et simple :de minuscules rainures parallèles dans le papier filtre - un artefact du processus de production du papier - provoquent l'alignement des nanotubes. La recherche est disponible en ligne dans la revue American Chemical Society Lettres nano .

Kono a dit qu'un étudiant diplômé dans son laboratoire, auteur principal de l'étude Natsumi Komatsu, a été le premier à remarquer les rainures et à les associer à l'alignement des nanotubes.

« J'ai découvert que tout papier à membrane filtrante acheté dans le commerce et utilisé pour cette technique présente ces rainures, " a déclaré Komatsu. " La densité des rainures varie d'un lot à l'autre. Mais il y a toujours des grooves."

Pour former les films cristallins 2-D, les chercheurs suspendent d'abord un mélange de nanotubes dans une solution eau-tensioactif. Le tensioactif savonneux enrobe les nanotubes et agit comme un démêlant. En 2013, Les étudiants de Kono utilisaient la filtration sous vide pour aspirer ces mélanges à travers du papier filtre à membrane. Le liquide a traversé la membrane en papier, laissant un film de nanotubes alignés sur le dessus.

Dans un ensemble exhaustif d'expériences, Komatsu et ses collègues, dont le chercheur postdoctoral du groupe Kono Saunab Ghosh, ont montré que l'alignement des nanotubes dans ces films correspondait à des parallèles, rainures submicroscopiques sur le papier. Les rainures se forment probablement lorsque le papier filtre est tiré sur des rouleaux en usine, dit Kono.

Komatsu a examiné des dizaines d'échantillons de papier filtre et a utilisé des microscopes électroniques à balayage et des microscopes à force atomique pour caractériser les rainures et les motifs de rainures. Elle a coupé les filtres en morceaux, ont réassemblé les pièces avec des rainures faisant face à différentes directions et ont montré qu'ils produisaient des films avec des alignements correspondants.

Komatsu et ses collègues ont également utilisé la chaleur et la pression pour enlever les rainures du papier filtre, en utilisant les mêmes principes impliqués dans le repassage des plis des vêtements. Ils ont montré que les films fabriqués avec du papier sans rainures avaient des nanotubes alignés dans plusieurs directions.

Finalement, en commençant par du papier sans rainures, ils ont montré qu'ils pouvaient utiliser un réseau réfléchissant très fin avec des rainures périodiques pour créer leurs propres motifs de rainures et que les films de nanotubes correspondants suivaient ces motifs.

Kono a déclaré que la méthode est passionnante car elle apporte un niveau de prévisibilité nécessaire à la production de films de nanotubes cristallins 2D.

"Si les nanotubes sont orientés aléatoirement, vous perdez toutes les propriétés unidimensionnelles, " dit Kono. " Être unidimensionnel est la clé. Cela conduit à toutes les propriétés inhabituelles mais importantes. »

Alors que les films du groupe Kono sont essentiellement en 2D - jusqu'à un pouce de diamètre mais seulement quelques milliardièmes de mètre d'épaisseur - les nanotubes individuels se comportent comme des matériaux 1D, notamment en termes de propriétés optiques et électroniques.

Les propriétés optiques et électroniques extraordinaires des nanotubes de carbone dépendent de leur diamètre et de leur structure, ou la chiralité. Certaines chiralités agissent comme des métaux et d'autres comme des semi-conducteurs, et les chercheurs ont lutté pendant des décennies pour trouver un moyen de faire de grandes, des objets macroscopiques comme un fil ou l'un des films de 1 pouce de diamètre de Kono constitués uniquement de nanotubes d'un diamètre et d'une chiralité.

"C'est évidemment la prochaine étape, " dit Ghosh. " Dans cette étude, nous avons encore utilisé un mélange de nanotubes de carbone métalliques et semi-conducteurs avec une distribution de diamètre. La prochaine étape consiste à appliquer cette nouvelle méthode basée sur la réalisation intentionnelle de rainures à l'aide d'un réseau pour obtenir un contrôle total de la direction d'alignement. »

Kono a déclaré que son équipe avait fabriqué des cristaux 2D hautement alignés à partir de solutions contenant un mélange diversifié de nanotubes.

"Mais quand on passe à une solution à chiralité unique, nous n'avons jamais été satisfaits de l'alignement, " dit-il. " Maintenant, avec cette connaissance des sillons, nous sommes convaincus que nous pouvons améliorer le degré d'alignement dans le cas des films de nanotubes de carbone à chiralité unique."

Les films à chiralité unique pourraient ouvrir la porte à des applications au potentiel époustouflant, par exemple, feuilles de carbone pur qui convertissent la chaleur en lumière avec une efficacité presque parfaite. Le mariage d'une telle feuille avec un matériau photovoltaïque pourrait fournir un moyen de transformer la chaleur en énergie électrique de manière très efficace, créant la possibilité de radiateurs qui refroidissent à la fois les moteurs et l'électronique tout en les alimentant.

Le laboratoire de Kono et le groupe de recherche de Gururaj Naik de Rice ont démontré le concept dans un article de 2019 sur les films de nanotubes de carbone hyperboliques.

Les films cristallins à chiralité simple pourraient également être utilisés pour étudier de nouveaux états de la matière, tels que les polaritons d'excitons et les condensats de Bose-Einstein, et pour les applications qui n'ont pas encore été envisagées, dit Kono.

"À ce moment là, seul un petit nombre de groupes dans le monde peut les aligner, très dense, films de nanotubes de carbone fortement tassés, " dit-il. " Et le travail que nous venons de terminer, le travail assisté par rainure, offre plus de contrôle. Cela conduira à de meilleurs films, de nouvelles applications et de nouvelles sciences. Nous sommes très excités."