Illustration schématique des structures hiérarchiques des faisceaux de nanofibres de carbone constitués de molécules de nanographene déformées et mordues. Crédit :NINS/IMS
Le nanographene est flexible, pourtant plus solide que l'acier. Avec des propriétés physiques et électroniques uniques, le matériau est constitué de molécules de carbone d'un seul atome d'épaisseur disposées en forme de nid d'abeille. Encore au début du développement technologique, les méthodes de fabrication actuelles nécessitent l'ajout de substituants pour obtenir un matériau uniforme. Les méthodes sans additifs sont fragiles, fibres cassables—jusqu'à maintenant.
Une équipe internationale de chercheurs a développé l'auto-assemblage, fils de nanographene stables et solides. Les résultats ont été publiés le 24 mars dans Journal de l'American Chemical Society .
L'équipe, dirigé par Yasutomo Segawa, professeur agrégé à l'Institut des sciences moléculaires, fait partie des instituts nationaux des sciences naturelles du Japon, entrepris de synthétiser des courbes, empiler à l'infini des nanographenes, comme des croustilles dans une boîte en carton, qui peuvent s'assembler en nanofils.
« Les fils d'hydrocarbures empilés efficacement ont le potentiel d'être utilisés comme une variété de matériaux nano-semiconducteurs, " a déclaré Segawa. " Auparavant, il a été nécessaire d'introduire des substituants qui ne sont pas liés ou inhibent la fonction électronique recherchée afin de contrôler l'assemblage des fils."
En supprimant les substituants, ou additifs, du processus de fabrication, les chercheurs peuvent développer des matériaux moléculaires qui ont un fonction électronique souhaitée, selon Segawa. Avec cet objectif en tête, l'équipe a développé une molécule appelée nanographène déformé « mordu » (bWNG), avec 68 atomes de carbone et 28 atomes d'hydrogène formant une forme de « pomme croquée ». Créé comme une solution, lorsqu'on le laisse s'évaporer pendant 24 heures en présence d'hexane, un ingrédient de l'essence à six atomes de carbone, le bWNG se transforme en gel.
Structure de nanofibres supramoléculaires à double hélice assemblées à partir de nanographenes déformés « mordus » (bWNG). (En haut à gauche) Un assemblage de deux bWNG. (En bas à gauche) Vue de dessus d'une nanofibre. Une double hélice d'un diamètre de 2,8 nm est formée avec chaque molécule décalée de 45 degrés. (au milieu) Vue latérale d'une nanofibre. (À droite) Faisceaux de nanofibres. Crédit :NINS/IMS
Les chercheurs ont tenté de recristalliser les molécules de la solution originale pour examiner la structure spécifique du gel bWNG par cristallographie aux rayons X. Cette technique peut révéler la structure atomique et moléculaire d'un cristal en irradiant la structure avec des rayons X et en observant leur diffraction.
"Nous avons essayé de recristalliser plusieurs fois pour déterminer la structure, mais il n'a augmenté que de quelques centaines de nanomètres, " Segawa a dit, notant que cette taille est beaucoup trop petite pour la cristallographie aux rayons X. "Ce n'était que par diffraction électronique, une nouvelle méthode de détermination de la structure des matériaux organiques, que nous avons pu analyser la structure."
La diffraction électronique est similaire à la cristallographie aux rayons X, mais il utilise des électrons au lieu de rayons X, résultant en un motif d'interférence avec le matériau de l'échantillon qui indique la structure interne.
Le panneau supérieur montre la structure moléculaire du nanographene déformé « mordu » (bWNG). En bas à gauche montre une photographie d'organogel bWNG et en bas à droite montre une image microscopique de nanofibres en bWNG. Crédit :NINS/IMS
Ils ont découvert que le gel bWNG était composé de deux brins, nanofibres à double hélice qui se sont assemblées à partir de courbes, nanographenes empilables.
"La structure des nanofibres est une double hélice double brin, qui est très stable et, donc, fort, " dit Segawa. " Ensuite, nous aimerions réaliser un fil semi-conducteur entièrement composé d'atomes de carbone."
