La méthode actuelle de fabrication des nanotubes de carbone - essentiellement des feuilles de graphène enroulées - ne permet pas un contrôle complet de leur diamètre, longueur et type. Ce problème a été récemment résolu pour deux des trois types différents de nanotubes, mais le troisième type, connus sous le nom de nanotubes « zigzag », était resté hors de portée. Des chercheurs des instituts nationaux des sciences naturelles du Japon (NINS) ont maintenant compris comment synthétiser la variété en zigzag.

Leur méthode est décrite dans la revue Chimie de la nature , publié le 25 janvier.

Grâce à la capacité unique du carbone à se combiner avec d'autres atomes pour former des molécules, quand il se combine avec lui-même, il peut le faire de nombreuses manières structurellement différentes (comme les diamants et le graphite) avec des propriétés différentes. Au cours des dernières décennies, des formes telles que le graphène - une couche de carbone d'un atome d'épaisseur formée à partir d'un réseau hexagonal en nid d'abeille - ont été produites. Une autre de ces différentes formes, ou 'allotropes, ' qui peut être produit est un cylindre creux de graphène connu sous le nom de nanotube.

Lorsque les hexagones de carbone du nanotube se réunissent dans ce réseau en nid d'abeille, ils forment soit un fauteuil, configuration en zigzag ou chirale. Le nom "zigzag" est utilisé pour la configuration dans laquelle le "chemin" de chaque liaison moléculaire entre les atomes de carbone est d'abord dirigé vers la gauche de 60 degrés, puis vers la droite de 60 degrés, puis gauche 60 degrés, puis à nouveau à 60 degrés à droite :un motif en zigzag. Le nom 'fauteuil' décrit un chemin qui se déplace deux fois à gauche, puis deux fois à droite, avant de répéter. Cette allée ressemble un peu à un fauteuil, d'où le nom. Un troisième type, chiral, se situe entre ces deux formes, avec son image miroir.

Si l'on pouvait prendre un couteau et trancher ces tubes deux fois horizontalement contre l'axe longitudinal, on pourrait produire une 'ceinture' de nanotubes, composé de 12 anneaux hexagonaux en carbone. Une telle ceinture est appelée 'nanobelt'.

Les efforts de production de ces nanoceintures ont fait l'objet de nombreuses recherches scientifiques. Ceci est dû aux limitations de la fabrication conventionnelle de nanotubes, qui prend ce qu'on appelle une forme « descendante ». La fabrication descendante implique les pulvérisations d'une masse de carbone en vrac en une poudre, après quoi les nanotubes se forment de manière aléatoire dans un ou plusieurs des trois types de configuration.

"Le problème ici est que vous ne pouvez pas contrôler quel type de configuration est formé, ou le diamètre, ou même la longueur, " a déclaré Yasutomo Segawa, de l'Institute for Molecular Science du NINS et auteur correspondant de l'article. "Mais si vous pouvez construire un nanotube de bas en haut, à partir de la "graine" d'une nanoceinture, alors vous contrôlez tous ces trois aspects."

Des recherches antérieures en 2019 avaient permis de produire des nanoceintures fauteuil et chirales, mais pas le troisième type, le zigzag.

Et maintenant pour la première fois, les chercheurs ont pu former une nanoceinture en zigzag. La clé de la stratégie de synthèse de la nanoceinture était le pontage des anneaux hexagonaux par un atome d'oxygène (l'ajout d'une unité oxanorbornadiène). Ils ont ensuite pu utiliser la cristallographie aux rayons X pour confirmer que cette structure, qui avait été prédit par des calculs théoriques, se formait en effet dans le monde réel.

Avec cette troisième synthèse de nanoceinture, les trois types de nanotubes—fauteuil, chiral, et zigzag—sont en principe maintenant disponibles. C'est un grand pas vers la synthèse bottom-up de nanotubes de carbone fabriqués à la commande.

La prochaine étape consiste à faire passer cette preuve de concept à une synthèse ascendante sélective de structure de nanotubes de carbone, en utilisant la synthèse de nanotubes de carbone en utilisant leurs nanoceintures comme germes.