Les films sont la création de Joseph Romano, étudiant diplômé, à partir d’images vidéo à grande vitesse prises à l’intérieur du microscope électronique de Hart. Ils documentent pour la première fois comment la forme d'un nanotube de carbone change lorsqu'il est plié, fournissant ainsi de nouvelles informations précieuses aux scientifiques cherchant à comprendre le comportement des nanotubes et à concevoir de nouveaux matériaux basés sur ceux-ci.
"Ce sont les premières observations en temps réel de la courbure de nanotubes de carbone individuels", a déclaré Romano, qui a récemment présenté la recherche lors de la réunion d'automne de la Materials Research Society à Boston. «Ils ouvrent une nouvelle voie pour explorer les propriétés de ces matériaux remarquables.»
Les nanotubes de carbone mesurent généralement quelques nanomètres de diamètre et peuvent mesurer plusieurs micromètres de long. A titre de comparaison, la largeur d’un cheveu humain est d’environ 50 000 nanomètres. En raison de leur petite taille, les nanotubes de carbone ont été étudiés principalement par microscopie à force atomique et par microscopie électronique à transmission, qui fournissent toutes deux des images statiques plutôt que des vidéos en temps réel.
Hart et Romano ont développé une nouvelle méthode pour capturer des images vidéo de nanotubes de carbone individuels à l'aide d'un microscope électronique à balayage environnemental (ESEM). L’ESEM diffère d’un microscope électronique à balayage traditionnel en ce sens qu’il contient une petite chambre remplie d’un gaz à basse pression, en l’occurrence de la vapeur d’eau. Le gaz offre une résistance suffisante au faisceau d’électrons pour l’empêcher de vaporiser les nanotubes de carbone, permettant ainsi de les visualiser en temps réel.
Pour réaliser un film montrant la flexion d'un nanotube de carbone, Romano a suspendu un nanotube à travers une minuscule tranchée sur une puce de silicium, puis a utilisé un manipulateur de précision pour pousser le nanotube. Pendant que le nanotube se courbait, Romano a enregistré des images vidéo du processus.
Les films révèlent que les nanotubes de carbone se plient d'une manière unique. Lorsqu’une corde de guitare est pincée, elle vibre à une fréquence spécifique, produisant une note. De même, lorsqu’un nanotube de carbone est courbé, il vibre à une fréquence spécifique. La fréquence dépend de la longueur et de l’épaisseur du nanotube ainsi que de la force qui lui est appliquée.
En analysant les films, Romano a pu déterminer le module d’Young des nanotubes de carbone, une mesure de leur rigidité. Le module d’Young des nanotubes de carbone étudiés par Romano s’est avéré être d’environ 1 téraPascal (TPa), ce qui est comparable au module d’Young du diamant, le matériau le plus dur connu.
Les films fournissent également de nouvelles informations sur les propriétés mécaniques des nanotubes de carbone. Par exemple, ils montrent que les nanotubes de carbone peuvent résister à de grandes quantités de flexion sans se briser, ce qui indique qu’ils sont extrêmement résistants.
Les nouveaux résultats de la recherche devraient avoir des implications pour la conception et l’application de matériaux à base de nanotubes de carbone. Par exemple, les nanotubes de carbone pourraient être utilisés pour fabriquer des fibres ultra résistantes destinées à des matériaux légers ou comme capteurs détectant la présence de produits chimiques spécifiques.
"Les applications potentielles des nanotubes de carbone sont énormes", a déclaré Romano. « En comprenant les propriétés mécaniques de ces matériaux, nous pouvons ouvrir la porte à des applications nouvelles et innovantes. »
