Contrôler la synthèse des nanotubes de carbone grâce à la thermodynamique

Publié par Redbran le 24/12/2018 à 14:00
Source: CNRS-INP
Une modélisation de l'interface entre les nanotubes de carbone monoparoi et le catalyseur dont ils sont issus révèle l'origine thermodynamique de leur chiralité. Cela ouvre la voie vers une sélection du type de nanotube que l'on souhaite produire lors de la synthèse par dépôt chimique en phase vapeur ().


A, B: Différents modes de croissance de nanotubes de carbone monoparoi sur une Informations complémentaires nanoparticule de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le...), observés en microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique...) électronique (haut) et modélisés à l'échelle atomique (bas). C: modèle simplifié de l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface...), à la base de notre approche thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur...)

Les nanotubes de carbone sont des cylindres creux qui peuvent croître jusqu'à quelques centimètres de long par incorporation d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) de carbone au niveau de l'interface avec un catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ;...). On peut les voir comme le résultat de l'enroulement (Un enroulement en électrotechnique est un conducteur électrique isolé bobiné (enroulé autour...) d'un feuillet d'atomes de carbone. L'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts...) d'enroulement, qui définit l'hélicité du tube, est une propriété capitale (Une capitale (du latin caput, capitis, tête) est une ville où siègent les pouvoirs,...) qui détermine les propriétés des porteurs de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) donnant au nanotube (Le nanotube est une structure cristalline particulière, de forme tubulaire, creuse et close,...) un caractère métallique ou semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un...). Produire directement des tubes d'un type donné permettrait de fabriquer à l'échelle industrielle des dispositifs tirant parti de ces caractéristiques, tels que des capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une...), des transistors capables de dépasser les limites du silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si...), ou des câbles électriques légers et performants. Une telle synthèse sélective se heurte encore à une compréhension limitée des mécanismes de croissance.

Dans l'approche admise jusqu'à présent, la formation du germe (En botanique, un germe est un embryon de plante contenu dans une graine. Le terme désigne...) se fait au hasard (Dans le langage ordinaire, le mot hasard est utilisé pour exprimer un manque efficient, sinon...). A partir de cette calotte initiale, la cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) de croissance du nanotube, dépendant de son hélicité, détermine son abondance. A contre-pied de cette approche, des chercheurs du Centre interdisciplinaire (Un travail interdisciplinaire intègre des concepts provenant de différentes disciplines.) de nanoscience de Marseille (CINaM, CNRS/AMU) et du Laboratoire d'étude des microstructures (LEM, CNRS/Onera) ont développé un modèle thermodynamique reposant notamment sur des observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) en microscopie électronique à transmission. La structure du germe ne doit en fait rien au hasard. Dans ses premiers instants, elle fluctue jusqu'à atteindre un état stable, dicté par des considérations thermodynamiques que nous avons déterminées. Ainsi, en plus d'un terme d'énergie élastique (L'énergie élastique est l'énergie représentant la déformation élastique d'un objet solide ou...) qui pénalise les tubes de trop petit diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...), et du terme d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) d'interface qui croît avec le diamètre, l'entropie (En thermodynamique, l'entropie est une fonction d'état introduite en 1865 par Rudolf Clausius...) due aux possibles arrangements des atomes de carbone de la lèvre (Les lèvres sont les parties charnues qui bordent la bouche chez de nombreux animaux. Au nombre...) du tube en contact avec la particule de catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ;...) joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les...) un rôle majeur pour stabiliser à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) finie les différents types de tubes. En son absence, seuls seraient stables des tubes non chiraux, dits "zig-zag" ou "armchair". Les chercheurs ont ainsi pu relier l'énergie de l'interface nanotube-catalyseur et la température de synthèse avec la distribution des hélicités des tubes produits et rendre compte de diverses situations expérimentales.

Expérimentalement, la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) d'un système catalytique permettant une synthèse sélective des nanotubes s'oriente vers l'utilisation de nanoparticules d'alliages métalliques, éventuellement solides, mais procède souvent par essai et erreur. L'approche mise en œuvre dans ce travail permet d'expliquer les distributions d'hélicités fréquemment observées et leur évolution en température. En prenant en compte la nature chimique du catalyseur par le biais des énergies interfaciales, le modèle proposé permet d'établir des cartes structurales et des diagrammes de phase, qui serviront à guider un choix rationnel de catalyseurs et de paramètres de croissance vers une meilleure sélectivité.

Référence publication:
Entropy (Entropy (Emerging Network To Reduce Orwellian Potency Yield) est un logiciel développé comme une...) driven stability of chiral single-walled carbon nanotubes
Y. Magnin, H. Amara, F. Ducastelle, A. Loiseau et C. Bichara
Science (2018), doi: 10.1126/science.aat6228
Lire l'article sur la base d'archives ouvertes ArXiv

Contact chercheur:
Christophe Bichara, directeur de recherche au CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...)

Informations complémentaires:
Centre interdisciplinaire de nanoscience de Marseille (CINaM, CNRS/Aix-Marseille Université)
Laboratoire d'étude des microstructures (LEM, CNRS/Onera)
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