Les matériaux chiraux interagissent avec la lumière de manière très précise, utiles pour créer de meilleurs écrans, capteurs et appareils plus puissants. Cependant, l'ingénierie fiable des propriétés telles que la chiralité à grande échelle reste un défi important en nanotechnologie.
Les scientifiques de l'Université Rice du laboratoire de Junichiro Kono ont développé deux façons de fabriquer des assemblages de nanotubes de carbone chiraux (CNT) synthétiques à l'échelle d'une tranche à partir de mélanges achiraux. Selon une étude publiée dans Nature Communications , les films minces « tornade » et « tordus et empilés » qui en résultent peuvent contrôler l'ellipticité – une propriété de la lumière polarisée – à un niveau et dans une plage du spectre qui était auparavant largement hors de portée.
"Ces approches nous ont permis d'introduire délibérément et systématiquement la chiralité dans des matériaux qui, jusqu'à présent, ne présentaient pas cette propriété à l'échelle macroscopique", a déclaré Jacques Doumani, étudiant diplômé en physique appliquée à Rice et auteur principal de l'étude. étude. "Nos méthodes produisent des films fins et flexibles avec des propriétés chirales réglables."
Les NTC – structures cylindriques creuses constituées d’atomes de carbone – possèdent des propriétés électriques, mécaniques, thermiques et optiques remarquables. Un CNT à simple paroi a un diamètre environ 100 000 fois plus petit que celui d'un seul cheveu humain.
Le problème est que la plupart des méthodes permettant de fabriquer des NTC en plus grande quantité, ce qui est nécessaire pour une utilisation dans de nombreuses applications, produisent généralement des assemblages de nanotubes hétérogènes et désordonnés. De telles architectures aléatoires diminuent les performances globales d'un matériau.
La capacité de créer des quantités suffisantes de films dans lesquels les nanotubes ont le même diamètre et la même orientation pourrait alimenter l'innovation dans un large éventail de domaines, depuis les systèmes d'information jusqu'aux applications médicales ou énergétiques.
"Dans des recherches antérieures, nous avons montré que notre technique de filtration sous vide pouvait atteindre un alignement presque parfait des nanotubes de carbone à des échelles significatives", a déclaré Kono, professeur d'ingénierie Karl F. Hasselmann, professeur de génie électrique et informatique, de science des matériaux et de nano-ingénierie et l'un des professeurs. des chercheurs principaux du journal. "Cette recherche nous permet d'orienter ce travail dans une nouvelle direction passionnante en introduisant la chiralité."
La découverte que le mouvement pouvait conférer une torsion chirale à un arrangement ordonné de NTC s'est produite entièrement par hasard.
"C'était littéralement une tournure inattendue", a déclaré Doumani, racontant comment une pompe tremblante placée sur la même table que le système de filtration sous vide a provoqué des vibrations involontaires qui ont enroulé la couche de NTC alignés dans une spirale semblable à une tornade.
"Ces vibrations ont eu un impact profond sur l'architecture des nanotubes de carbone assemblés, nous incitant à explorer et à affiner davantage ce nouveau phénomène", a-t-il déclaré. "Cette découverte fortuite nous a permis de reconnaître que nous pouvons concevoir des architectures de nanotubes de carbone présentant les caractéristiques souhaitées en ajustant les angles de rotation et les conditions d'agitation."
Kono a comparé la symétrie chirale résultante des assemblages CNT à une « œuvre d'art ».
"Je suis particulièrement fier de Jacques pour avoir découvert que nous pouvons combiner la filtration et l'agitation des nanotubes de carbone pour affiner les caractéristiques de ces films à l'échelle d'une tranche", a déclaré Kono.
La deuxième méthode pour obtenir la chiralité impliquait d'empiler des films CNT hautement alignés selon un angle en contrôlant le nombre de couches et les angles de torsion.
"Nous avons franchi une étape remarquable dans le domaine de l'ultraviolet profond, où nous avons établi un nouveau record d'ellipticité", a déclaré Doumani. "De plus, par rapport à nos concurrents dans ce domaine, notre technique est très simple à mettre en place. Nous n'avons pas besoin d'un système complexe pour réaliser ces films."
Ces techniques peuvent être utilisées pour concevoir des matériaux destinés à de nouveaux dispositifs optoélectroniques, tels que des LED, des lasers, des cellules solaires et des photodétecteurs. C'est également une configuration qui peut potentiellement être utilisée pour fabriquer un film chiral à l'échelle d'une tranche en utilisant d'autres nanomatériaux tels que des nanotubes de nitrure de bore et des nanotubes de diséléniure de tungstène.
"Cette découverte est prometteuse pour diverses applications", a déclaré Doumani. "Dans les domaines pharmaceutique et biomédical, il offre un potentiel en matière de biodétection, d'imagerie des fonds marins et d'identification de composés utiles. En communication, il pourrait améliorer la détection des missiles, sécuriser les canaux de communication et renforcer les capacités anti-interférences. Dans l'ingénierie informatique quantique, il ouvre la voie à couplage photon-émetteur plus déterministe.
"Nous sommes ravis d'étendre cette technique à d'autres types de nanomatériaux également."
Plus d'informations : Jacques Doumani et al, Ingénierie de la chiralité à l'échelle d'une tranche avec des architectures ordonnées de nanotubes de carbone, Nature Communications (2023). DOI :10.1038/s41467-023-43199-x
Informations sur le journal : Communications naturelles
Fourni par l'Université Rice
