Une image au microscope électronique à transmission montre un réseau de nanodiamants. Les chimistes de l'Université Rice ont utilisé leur technique de chauffage flash Joule pour contrôler l'évolution de phase et le dopage du carbone. Crédit :Tour Group/Rice University
Le diamant peut être juste une phase que le carbone traverse lorsqu'il est exposé à un éclair de chaleur, mais cela le rend beaucoup plus facile à obtenir.
Le laboratoire du chimiste James Tour de l'Université Rice est désormais capable de "faire évoluer" le carbone à travers des phases qui incluent un précieux nanodiamant en contrôlant étroitement le processus de chauffage flash Joule qu'ils ont développé il y a 18 mois.
Le meilleur de tous, ils peuvent arrêter le processus à volonté pour obtenir le produit qu'ils veulent.
Dans le journal de l'American Chemical Society ACS Nano, les chercheurs, dirigé par Tour et étudiant diplômé et auteur principal Weiyin Chen, montrent que l'ajout de composés fluorés organiques et de précurseurs de fluorure au noir de carbone élémentaire le transforme en plusieurs allotropes difficiles à obtenir lorsqu'il est flashé, dont les nanodiamants fluorés, graphène turbostratique fluoré et carbone concentrique fluoré.
Avec le processus flash introduit en 2020, une forte décharge électrique peut transformer le carbone de n'importe quelle source en couches de graphène turbostratique vierge en moins d'une seconde. ("Turbostratique" signifie que les couches ne sont pas fortement liées les unes aux autres, ce qui les rend plus faciles à séparer dans une solution.)
Le nouveau travail montre qu'il est possible de modifier, ou fonctionnaliser, les produits en même temps. La durée du flash, entre 10 et 500 millisecondes, détermine l'allotrope de carbone final.
Une image au microscope électronique montre une étape tardive de l'évolution des atomes de carbone et de fluor sous un chauffage flash Joule. Les atomes de carbone forment des enveloppes concentriques autour d'un noyau de nanodiamant. Au fur et à mesure du chauffage, la phase diamant est remplacée par la coquille. Crédit :Tour Group/Rice University
La difficulté réside dans la préservation des atomes de fluor, puisque la température ultra-élevée provoque la volatilisation de tous les atomes autres que le carbone. Pour surmonter le problème, l'équipe a utilisé un tube en téflon scellé avec des entretoises en graphite et des tiges de tungstène à point de fusion élevé, qui peut contenir le réactif à l'intérieur et éviter la perte d'atomes de fluor sous la température ultra-élevée. Le tube scellé amélioré est important, Tour dit.
"Dans l'industrie, les petits diamants sont utilisés depuis longtemps dans les outils de coupe et comme isolants électriques, " at-il dit. " La version fluorée ici fournit une voie aux modifications de ces structures. Et il y a une grande demande pour le graphène, tandis que la famille fluorée est nouvellement produite ici en vrac."
Les nanodiamants sont des cristaux microscopiques - ou des régions de cristaux - qui présentent le même réseau d'atomes de carbone que les diamants à grande échelle. Lors de sa découverte dans les années 1960, ils ont été fabriqués sous la chaleur et la haute pression des détonations.
Dans les années récentes, les chercheurs ont découvert des processus chimiques pour créer les mêmes réseaux. Un rapport du théoricien de Rice Boris Yakobson l'année dernière a montré comment le fluor peut aider à fabriquer du nanodiamant sans haute pression, et le propre laboratoire de Tour a démontré l'utilisation de lasers pulsés pour transformer le téflon en nanodiamant fluoré.
Les nanodiamants sont hautement souhaitables pour les applications électroniques, car ils peuvent être dopés pour servir de semi-conducteurs à large bande interdite, éléments importants de la recherche actuelle de Rice et du Army Research Laboratory.
Le mécanisme des chimistes de l'Université Rice pour l'évolution de phase des nanocarbones flash fluorés montre des étapes avec un apport d'énergie plus long et plus important. Les atomes de carbone et de fluor forment d'abord un réseau en diamant, puis le graphène et enfin le carbone concentrique polyédrique. Crédit :Weiyin Chen
Le nouveau procédé simplifie la partie dopage, non seulement pour les nanodiamants mais aussi pour les autres allotropes. Tour a déclaré que le laboratoire Rice explore l'utilisation du bore, phosphore et azote comme additifs également.
À des temps de flash plus longs, les chercheurs ont intégré des nanodiamants dans des coquilles concentriques de carbone fluoré. Une exposition encore plus longue a converti le diamant entièrement en coquillages, de l'extérieur vers l'intérieur.
« Les structures à coque concentrique ont été utilisées comme additifs lubrifiants, et cette méthode flash pourrait fournir une voie peu coûteuse et rapide vers ces formations, ", a déclaré la tournée.
Les co-auteurs de l'article sont les étudiants diplômés de Rice John Tianci Li, Zhe Wang, Wala Algozeeb, Emily McHugh, Kevin Wyss, Paul Advincula, Jacob Beckham et Bo Jiang, le chercheur Carter Kittrell et les anciens élèves Duy Xuan Luong et Michael Stanford. La tournée est le T.T. et W.F. Chaire Chao en chimie ainsi que professeur d'informatique et de science des matériaux et nano-ingénierie à Rice.