Les chercheurs ont développé une idée qui pourrait faciliter la production de nanotubes de carbone microscopiques, des structures des milliers de fois plus fines qu'un cheveu humain utilisé dans tout, des puces électroniques aux articles de sport en passant par les produits pharmaceutiques. Les recherches menées par des scientifiques du laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) pourraient garantir que la fabrication forme des nanotubes aussi efficacement que possible.

Les résultats font partie des recherches récentes menées par des scientifiques travaillant dans le laboratoire PPPL pour la nanosynthèse plasmatique, qui est pionnière dans la recherche sur le plasma à basse température pour améliorer la production de nanotubes et autres nanoparticules. L'installation de six ans a développé un flux constant d'informations qui pourraient faire progresser cette production.

Les nanotubes se mesurent en milliardièmes de mètre et leur flexibilité et leur résistance sont remarquables. En principe, leur résistance à la traction, ou résistance à la rupture lorsqu'il est étiré, est 100 fois supérieure à celle d'un fil d'acier de même taille. Les scientifiques tentent de mieux comprendre une technique largement utilisée impliquant l'électricité pour créer du plasma, qui est ensuite utilisé pour créer des nanotubes.

Les ingénieurs utilisent des courants électriques appelés arcs pour vaporiser des atomes de carbone ou d'autres matériaux à partir d'un composant positif appelé anode. Une fois sous forme gazeuse, les atomes libérés peuvent former des nanotubes et d'autres structures qui peuvent être utilisées à la place du silicium dans les puces informatiques pour améliorer les performances et l'efficacité énergétique. Une meilleure compréhension pourrait fiabiliser le processus de production et augmenter la qualité des nanotubes.

Les physiciens du PPPL ont produit un modèle montrant que la formation de nanoparticules dépend de plusieurs facteurs. Le modèle montre que lorsque le courant électrique passe d'une résistance faible à élevée, l'évaporation, ou ablation, le taux d'atomes de carbone passe également de faible à élevé. Cette découverte est importante car les chercheurs souhaitent contrôler l'ablation à un rythme modéré plutôt que rapide lors de la réalisation d'expériences et de la création de nanoparticules pour l'industrie.

Le facteur clé du taux d'ablation est sa dépendance à l'hélium gazeux de fond, qui remplit l'espace à l'intérieur d'une chambre métallique creuse qui abrite les électrodes. "C'est le facteur crucial que les modèles précédents ignoraient, " a déclaré l'ancien physicien du PPPL Alexander Khrabry, auteur principal d'un article présentant les conclusions de Journal de physique appliquée . "Le gaz attrape les atomes de carbone lors de leur ablation et les maintient près de la surface de l'électrode. Les atomes retombent ensuite sur l'électrode. Dans certaines conditions, le flux entre le gaz et les électrodes est suffisamment élevé pour conduire au passage rapide d'un taux d'ablation faible à un taux élevé, ce n'est pas ce que nous voulons."

Dans des recherches connexes, les scientifiques ont développé une nouvelle explication de la formation de points chauds sur l'un des composants électriques qui enlèvent le carbone pour aider à créer les nanotubes. Les scientifiques pensaient auparavant que les taches, qui se forment au niveau du composant chargé positivement et interfèrent avec la production de nanotubes, résultent d'instabilités dans le courant qui circule vers le composant chargé négativement, comme la foudre s'écoulant des nuages ​​vers le sol.

La nouvelle recherche indique que les taches se forment en raison de la façon dont la chaleur se propage à l'intérieur de l'anode, ce qui signifie que les propriétés de l'anode aident à déterminer comment et quand les points chauds se forment. Les points chauds peuvent réduire le nombre d'atomes de carbone évaporés de la surface de l'anode et ainsi réduire le nombre de nanotubes créés. Une meilleure compréhension de la formation des taches pourrait conduire à des idées sur la façon de les réduire ou de les éliminer.

Le processus fonctionne ainsi :la chaleur du plasma circule dans l'anode et se dissipe à sa surface, créant un point à haute température. Les propriétés de l'anode qui déterminent le flux de chaleur sont donc importantes pour la formation de spots et la fabrication de nanotubes. Le rôle de l'anode avait été négligé dans le passé.

Une meilleure compréhension de ces processus fondamentaux jette les bases des avancées futures.