Les nanotubes de carbone se sont révélés prometteurs pour tout, de la microélectronique à l'aviation en passant par le stockage de l'énergie. Les chercheurs pensent que ce matériau pourrait un jour réaliser le rêve de science-fiction de créer un ascenseur vers l'espace.

Alors pourquoi ne sont-ils pas utilisés plus souvent ?

Noe Alvarez, chimiste à l'Université de Cincinnati, a déclaré que l'un des obstacles était l'incapacité frustrante de relier les nanotubes de carbone aux surfaces métalliques dans une connexion robuste pour les capteurs, les transistors et d'autres utilisations. Ces tubes creux ont un diamètre d'à peine un milliardième de mètre mais peuvent mesurer plusieurs centimètres de long.

"Nous voulons que nos expériences soient reproductibles et cohérentes, mais ce n'est pas facilement possible avec les nanotubes car nous ne pouvons pas contrôler leur connexion aux surfaces métalliques", a-t-il déclaré.

Mais lui et ses collaborateurs ont démontré un nouveau processus chimique qui greffe des nanotubes sur des surfaces métalliques pour créer un lien conducteur solide et cohérent. L'étude a été publiée dans la revue Nanoscale Advances. .

Dans les itérations précédentes, des nanotubes de carbone étaient dispersés dans une solution pour produire ce qu'Alvarez compare à des « spaghettis humides » qui collent à une surface métallique.

"Mais il n'y a pas de connexion solide. Rien ne retient vraiment les nanotubes à la surface", a-t-il déclaré.

Ainsi, les mesures de propriétés telles que la conductivité électrique étaient imprécises et incohérentes.

Alvarez et ses partenaires de recherche de l'Université A&M du Texas, dirigés par le professeur de génie chimique Jorge Seminario, ont démontré des moyens de lier chimiquement des nanotubes au cuivre, à l'aluminium, à l'or et à d'autres surfaces métalliques.

Alvarez et ses collaborateurs ont reçu une subvention de 720 000 $ de la National Science Foundation pour développer leur découverte chimique au cours des trois prochaines années.

"Pourquoi ne voyons-nous pas les nanotubes de carbone dans des applications commerciales généralisées, même s'ils ont un tel potentiel ? Nous avons beaucoup à comprendre", a déclaré Chaminda Nawarathne, doctorante à l'UC et auteur principal de l'étude.

Alvarez et ses co-auteurs ont découvert grâce à des calculs informatiques que les atomes de carbone dans le lien organique se lient en fait à deux atomes de cuivre, créant une liaison particulièrement forte.

"Cela explique pourquoi nos nanotubes, une fois connectés chimiquement, restent connectés", a déclaré Alvarez.

Les nanotubes de carbone sont des molécules notoirement puissantes. Leur structure moléculaire crée un élégant réseau hexagonal. "Les liaisons carbone sont les liaisons les plus fortes. Ce sont des liaisons covalentes. C'est pourquoi le diamant est le matériau le plus dur car ce sont des liaisons carbone-carbone", a déclaré Alvarez.

Alors que les atomes de carbone dans les diamants sont des liaisons simples, les nanotubes de carbone ont des atomes à double liaison conjugués, ce qui les rend encore plus résistants que les diamants.

Des câbles fabriqués à partir de nanotubes de carbone solides mais légers ont été envisagés pour créer des « ascenseurs spatiaux » capables de transporter des équipements en orbite, a déclaré Alvarez. Un ascenseur spatial a été représenté dans la scène d'ouverture du film de Brad Pitt "Ad Astra".

Mais la force n'est qu'une de leurs propriétés uniques.

Les nanotubes de carbone sont utilisés pour créer le matériau synthétique le plus noir sur Terre. Alvarez a déclaré que leurs liens forts avec le métal pourraient conduire à de meilleures peintures et revêtements.

"Les nanotubes sont assez inertes. Ils sont très stables. Vous pouvez les conjuguer sans rompre leurs liaisons. Les nanotubes semi-conducteurs ont également des propriétés de fluorescence :ils peuvent générer de la lumière", a déclaré Alvarez. "La liste des candidatures s'allonge donc encore et encore."

Nawarathne a déclaré qu'il étudiait des applications potentielles dans le stockage d'énergie.

"Maintenant que nous pouvons lier les nanotubes de carbone à un collecteur de courant ou à une sonde métallique, nous pouvons fabriquer des électrodes très stables pour les supercondensateurs", a déclaré Nawarathne.

Les étudiants en chimie de l'Université de Californie « cultivent » des nanotubes sur des disques de silicium en utilisant un processus appelé dépôt chimique en phase vapeur catalytique dans un équipement qui chauffe les réactifs et un catalyseur en fer à 1 450 °F.

"Il fait chaud", a déclaré Alvarez, désignant un objet visible à travers une vitre dans la machine de la taille d'un four. "C'est comme un plat allant au four. Le catalyseur entre ici."

Au bout de 45 minutes, une fine couche de nanotubes de carbone apparaît sur le silicium. À partir de là, les chercheurs ont pu électrogreffer les nanotubes sur diverses surfaces métalliques. Au départ, ils utilisaient des faisceaux de nanotubes, mais grâce à des processus raffinés, ils peuvent connecter des nanotubes alignés verticalement.

"C'est comme essayer de relier la laine à un mouton. Vous avez du fil qui a été tondu sur le mouton. Nous sommes capables de relier chimiquement des fibres individuelles au mouton", a-t-il déclaré.

Plus d'informations : Chaminda P. Nawarathne et al, Création de liaisons covalentes entre Cu et C à l'interface de métal/nanotubes de carbone à extrémité ouverte, Nanoscale Advances (2023). DOI :10.1039/D3NA00500C

Fourni par l'Université de Cincinnati