Chercheurs en nanomatériaux en Finlande, les États-Unis et la Chine ont créé un atlas en couleurs pour 466 variétés uniques de nanotubes de carbone à paroi unique.

L'atlas des couleurs des nanotubes est détaillé dans une étude en Matériaux avancés à propos d'une nouvelle méthode pour prédire les couleurs spécifiques des films minces fabriqués en combinant l'une des 466 variétés. La recherche a été menée par des chercheurs de l'Université Aalto en Finlande, Université Rice et Université de Pékin en Chine.

"Carbone, que nous voyons comme noir, peut apparaître transparent ou prendre n'importe quelle couleur de l'arc-en-ciel, " a déclaré le physicien d'Aalto Esko I. Kauppinen, l'auteur correspondant de l'étude. "La feuille apparaît noire si la lumière est complètement absorbée par les nanotubes de carbone dans la feuille. Si moins de la moitié environ de la lumière est absorbée dans les nanotubes, la feuille semble transparente. Lorsque la structure atomique des nanotubes ne provoque que certaines couleurs de lumière, ou longueurs d'onde, être absorbé, les longueurs d'onde qui ne sont pas absorbées sont réfléchies sous forme de couleurs visibles."

Les nanotubes de carbone sont longs, molécules creuses de carbone, forme semblable à un tuyau d'arrosage, mais avec des côtés d'un seul atome d'épaisseur et des diamètres d'environ 50, 000 fois plus petit qu'un cheveu humain. Les parois extérieures des nanotubes sont en graphène laminé. Et l'angle d'enveloppement du graphène peut varier, un peu comme l'angle d'un rouleau de papier cadeau pour les fêtes. Si l'emballage cadeau est roulé avec soin, à angle nul, les extrémités du papier s'aligneront avec chaque côté du tube d'emballage cadeau. Si le papier est enroulé négligemment, à un angle, le papier débordera sur une extrémité du tube.

La structure atomique et le comportement électronique de chaque nanotube de carbone sont dictés par son angle d'enveloppement, ou chiralité, et son diamètre. Les deux traits sont représentés dans un "(n, m)" système de numérotation qui répertorie 466 variétés de nanotubes, chacun avec une combinaison caractéristique de chiralité et de diamètre. Chaque (n, m) le type de nanotube a une couleur caractéristique.

Le groupe de recherche de Kauppinen étudie les nanotubes de carbone et les films minces de nanotubes depuis des années, et il a réussi auparavant à maîtriser la fabrication de films minces de nanotubes colorés qui apparaissaient verts, marron et gris argenté.

Dans la nouvelle étude, L'équipe de Kauppinen a examiné la relation entre le spectre de la lumière absorbée et la couleur visuelle de diverses épaisseurs de films de nanotubes secs et a développé un modèle quantitatif qui peut identifier sans ambiguïté le mécanisme de coloration des films de nanotubes et prédire les couleurs spécifiques des films qui combinent des tubes avec différentes propriétés inhérentes couleurs et (n, m) désignations.

Ingénieur riz et physicien Junichiro Kono, dont le laboratoire a résolu le mystère des nanotubes de fauteuils colorés en 2012, fourni des films constitués uniquement de (6, 5) les nanotubes qui ont été utilisés pour calibrer et vérifier le modèle Aalto. Des chercheurs d'Aalto et de l'Université de Pékin ont utilisé le modèle pour calculer l'absorption du film de riz et sa couleur visuelle. Les expériences ont montré que la couleur mesurée du film correspondait assez étroitement à la couleur prévue par le modèle.

Le modèle d'Aalto montre que l'épaisseur d'un film de nanotubes, ainsi que la couleur des nanotubes qu'il contient, affecter l'absorption de la lumière par le film. L'atlas d'Aalto de 466 couleurs de films de nanotubes provient de la combinaison de différents tubes. La recherche a montré que les tubes les plus minces et les plus colorés affectent davantage la lumière visible que ceux dont le diamètre est plus grand et les couleurs fanées.

"Le groupe d'Esko a fait un excellent travail en expliquant théoriquement les couleurs, quantitativement, ce qui différencie vraiment ce travail des études précédentes sur la fluorescence et la coloration des nanotubes, " dit Kono.

Depuis 2013, Le laboratoire de Kono a mis au point une méthode de fabrication de films de nanotubes 2D hautement ordonnés. Kono a déclaré qu'il avait espéré fournir à l'équipe de Kauppinen des films cristallins 2D hautement ordonnés de nanotubes d'une seule chiralité.

"C'était l'idée de départ, mais malheureusement, nous n'avions pas de films alignés à chiralité unique appropriés à ce moment-là, " dit Kono. " A l'avenir, notre collaboration prévoit d'étendre ce travail pour étudier les couleurs dépendantes de la polarisation dans des films cristallins 2D hautement ordonnés."

La méthode expérimentale que les chercheurs d'Aalto ont utilisée pour faire pousser des nanotubes pour leurs films était la même que dans leurs études précédentes :les nanotubes se développent à partir de monoxyde de carbone et de catalyseurs de fer dans un réacteur chauffé à plus de 850 degrés Celsius. La croissance de nanotubes de différentes couleurs et (n, m) les désignations sont régulées à l'aide de dioxyde de carbone qui est ajouté au réacteur.

« Depuis la précédente étude, nous avons réfléchi à la manière dont nous pourrions expliquer l'émergence des couleurs des nanotubes, " a déclaré le professeur de l'Université de Pékin Nan Wei, qui travaillait auparavant comme chercheur postdoctoral chez Aalto. « Des allotropes du carbone, le graphite et le fusain sont noirs, et les diamants purs sont incolores à l'œil humain. Cependant, maintenant nous avons remarqué que les nanotubes de carbone monoparoi peuvent prendre n'importe quelle couleur :par exemple, rouge, bleu, vert ou marron."

Kauppinen a déclaré que les films minces colorés de nanotubes sont souples et ductiles et pourraient être utiles dans les structures électroniques colorées et dans les cellules solaires.

"La couleur d'un écran pourrait être modifiée à l'aide d'un capteur tactile dans les téléphones portables, d'autres écrans tactiles ou sur le dessus des vitres, par exemple, " il a dit.

Kauppinen a déclaré que la recherche peut également fournir une base pour de nouveaux types de colorants respectueux de l'environnement.