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 métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant...), observés en microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre visible des éléments invisibles à l'œil...) 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 désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de...), à la base de notre approche thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands systèmes en équilibre. La...)

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 diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) 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 ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni des produits, ni...). On peut les voir comme le résultat de l'enroulement (Un enroulement en électrotechnique est un conducteur électrique isolé bobiné (enroulé autour d'un support). Cet enroulement peut n'être constitué que d'une seule spire (tour du...) d'un feuillet d'atomes de carbone. L'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) 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, ou une ville ayant une prééminence dans un domaine social, culturel, économique ou sportif, dans ce...) qui détermine les propriétés des porteurs de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un...) donnant au nanotube (Le nanotube est une structure cristalline particulière, de forme tubulaire, creuse et close, composée d'atomes disposés régulièrement en pentagones,...) un caractère métallique ou semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilité qu'un électron puisse contribuer à un courant électrique,...). 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 grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une...), des transistors capables de dépasser les limites du silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.), 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 également une excroissance qui se développe depuis un tubercule. Germe est un synonyme de plicitatus. La...) se fait au hasard (Dans le langage ordinaire, le mot hasard est utilisé pour exprimer un manque efficient, sinon de causes, au moins d'une reconnaissance de cause à effet d'un événement.). 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 modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude...) 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 d'un fluide (pression d'un gaz ou d'un liquide).) 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 limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce...), et du terme d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) d'interface qui croît avec le diamètre, l'entropie (En thermodynamique, l'entropie est une fonction d'état introduite au milieu du XIXe siècle par Rudolf Clausius dans le cadre du second principe,...) 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 de deux, les lèvres supérieure et...) du tube en contact avec la particule de catalyseur (En chimie, un catalyseur est une substance qui augmente la vitesse d'une réaction chimique ; il participe à la réaction mais il ne fait partie ni...) joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et fermer la bouche et à...) un rôle majeur pour stabiliser à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du transfert de...) 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 de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également...) 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 réponse à la censure et la surveillance croissante d'Internet.) 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 organisme de recherche scientifique public français (EPST).)

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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