image: Picture 1 - different types of nanotubes: 1) zigzag, 2) chiral and 3) armchair (or dentated). view more
Credit: © NUST MISIS
Les chercheurs du laboratoire de nanomatériaux inorganiques de NUST MISIS, en collaboration avec leurs collègues internationaux, ont prouvé qu'il était possible de modifier les propriétés structurelles et conductrices des nanotubes en les étirant. Cette découverte pourrait élargir l'application des nanotubes dans les domaines de l'électronique et des capteurs de haute précision, comme les microprocesseurs et les détecteurs de haute précision. L'article de recherche a été publié dans la revue Ultramicroscopy.
Les nanotubes de carbone peuvent être représentés comme une feuille de graphène enroulée selon une forme particulière, qui peut être « pliée » de différentes façons. Les bords de la feuille de graphène se touchent à des angles différents, entraînant la formation de nanotubes de type chaise (armchair), zig-zag ou chiral.
Les nanotubes sont considérés comme des matériaux prometteurs pour la fabrication de dispositifs électroniques et de capteurs, car ce sont d'excellents conducteurs électriques qui présentent un bon potentiel, notamment pour les microprocesseurs et les détecteurs de haute précision. Or, cette conductivité est difficile à contrôler lors de la production de nanotubes de carbone. Les nanotubes dotés de propriétés métalliques et semi-conductrices peuvent former un réseau unique, alors que les dispositifs électroniques à base de microprocesseurs exigent l'utilisation de nanotubes semi-conducteurs qui possèdent les mêmes caractéristiques.
Les chercheurs du laboratoire de nanomatériaux inorganiques de NUST MISIS, en collaboration avec une équipe de chercheurs japonais, chinois et australiens dirigée par le professeur Dmitri Golberg, ont proposé une méthode qui permet de modifier la structure de nanotubes après leur fabrication et par conséquent, d'en altérer les propriétés conductrices.
« Un nanotube est une couche de graphène pliée constituée à la base d'un réseau d'hexagones réguliers, dont les sommets sont des atomes de carbone. Si l'une des liaisons de carbone du nanotube subit une rotation de 90 degrés, un pentagone et un heptagone se forment au niveau de cette [jonction] au lieu d'un hexagone, produisant un défaut dit « de Stone-Wales ». Ce type de défaut peut survenir au sein de la structure dans certaines conditions. À la fin des années 90, on avait prédit que la migration de ce défaut le long des parois d'un nanotube soumis à une forte température, sous l'effet d'une contrainte mécanique, pouvait entraîner une modification de sa structure, plus précisément, une modification séquentielle de la chiralité du nanotube, causant ainsi une modification de ses propriétés électroniques. Alors qu'aucune preuve expérimentale de cette hypothèse n'avait été apportée jusqu'ici, notre rapport de recherche présente des preuves convaincantes », explique Pavel Sorokin, maître de conférences, docteur en sciences physiques et mathématiques et responsable du projet d'infrastructure « Science des matériaux théoriques des nanostructures » au laboratoire de nanomatériaux inorganiques de NUST MISIS.
Les chercheurs du laboratoire de nanomatériaux inorganiques de NUST MISIS ont réalisé des simulations de l'expérience au niveau atomique. Dans un premier temps, les nanotubes ont été allongés pour former le premier défaut structurel constitué de deux pentagones et de deux heptagones (un défaut de Stone-Wales), où l'allongement prolongé du tube s'est mis à « se propager » vers les parois, entraînant un remaniement d'autres liaisons de carbone. C'est à ce stade que la structure des nanotubes a changé. L'étirement prolongé des tubes a entraîné la formation d'un nombre croissant de défauts de Stone-Wales, ce qui a eu pour effet de modifier la conductivité des nanotubes.
« Lors du volet expérimental des travaux, nous étions responsables de la modélisation théorique du processus, que nous avons réalisée sur un superordinateur au laboratoire de modélisation et d'élaboration de nouveaux matériaux de NUST MISIS. Nous sommes ravis que les résultats des simulations [corroborent] les données expérimentales », ajoute Dmitry Kvashnin, coauteur du rapport de recherche, docteur en sciences physiques et mathématiques et chercheur au laboratoire de nanomatériaux inorganiques de NUST MISIS.
La technologie proposée a la capacité de stimuler la transformation de la structure des nanotubes « métalliques » en vue de leur utilisation dans les dispositifs électroniques à base de semi-conducteurs et dans les capteurs, tels que les microprocesseurs et les détecteurs ultrasensibles.
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Journal
Ultramicroscopy