Cela pourrait ressembler à un rouleau de grillage, mais ce minuscule cylindre d’atomes de carbone, trop petit pour être vu à l’œil nu, pourrait un jour être utilisé pour fabriquer des appareils électroniques allant des lunettes de vision nocturne et des détecteurs de mouvement aux cellules solaires plus efficaces. grâce à des techniques développées par des chercheurs de l’Université Duke.
Leur travail est publié dans la revue Actes de l’Académie nationale des sciences.
Découverts pour la première fois au début des années 1990, les nanotubes de carbone sont constitués de feuilles simples d’atomes de carbone enroulées comme une paille.
Le carbone n’est pas exactement un matériau nouveau. Toute vie sur Terre est basée sur le carbone. C’est la même chose que l’on trouve dans les diamants, le fusain et la mine de crayon. Ce qui rend les nanotubes de carbone spéciaux, ce sont leurs propriétés remarquables. Ces minuscules cylindres sont plus résistants que l’acier et pourtant si fins que 50 000 d’entre eux équivaudraient à l’épaisseur d’un cheveu humain.
Ils sont également incroyablement efficaces pour conduire l’électricité et la chaleur. C’est pourquoi, dans le cadre de la recherche d’une électronique plus rapide, plus petite et plus efficace, les nanotubes de carbone ont longtemps été présentés comme des substituts potentiels au silicium.
Mais produire des nanotubes dotés de propriétés spécifiques constitue un défi.
Selon la façon dont ils sont enroulés, certains nanotubes sont considérés comme métalliques, ce qui signifie que les électrons peuvent les traverser à n’importe quelle énergie. Le problème c’est qu’on ne peut pas les éteindre. Cela limite leur utilisation dans l’électronique numérique, qui utilise des signaux électriques activés ou désactivés pour stocker des états binaires ; tout comme les transistors semi-conducteurs en silicium commutent entre 0 et 1 bits pour effectuer des calculs.
Michael Therien, professeur de chimie à Duke, et son équipe affirment avoir trouvé un moyen de contourner ce problème. L’approche utilise un nanotube métallique, qui laisse toujours passer le courant, et le transforme en une forme semi-conductrice qui peut être allumée et éteinte.
Le secret réside dans des polymères spéciaux, des substances dont les molécules sont reliées entre elles en de longues chaînes, qui s’enroulent autour du nanotube dans une spirale ordonnée, « comme si on enroulait un ruban autour d’un crayon », a déclaré le premier auteur Francesco Mastrocinque, titulaire d’un doctorat en chimie. . dans le laboratoire de Therien à Duke.
L’effet est réversible, ont-ils découvert. Envelopper le nanotube dans un polymère modifie ses propriétés électroniques de conducteur à semi-conducteur. Mais si le nanotube est déballé, il retrouve son état métallique d’origine.
Les chercheurs ont également montré qu’en modifiant le type de polymère qui entoure un nanotube, ils pouvaient concevoir de nouveaux types de nanotubes semi-conducteurs. Ils peuvent conduire l’électricité, mais seulement lorsque la bonne quantité d’énergie externe est appliquée.
« Cette méthode fournit un nouvel outil subtil », a déclaré Therien. « Cela vous permet de fabriquer un semi-conducteur dès sa conception. »
Les applications pratiques de la méthode sont probablement lointaines. « Nous sommes loin de fabriquer des appareils », a ajouté Therien.
Mastrocinque et ses co-auteurs affirment que ces travaux sont importants car ils permettent de concevoir des semi-conducteurs capables de conduire l’électricité lorsqu’ils sont frappés par la lumière de certaines longueurs d’onde de faible énergie, courantes mais invisibles à l’œil humain.
À l’avenir, par exemple, les travaux de l’équipe Duke pourraient aider d’autres personnes à concevoir des nanotubes capables de détecter la chaleur libérée sous forme de rayonnement infrarouge, afin de révéler des personnes ou des véhicules cachés dans l’ombre. Lorsque la lumière infrarouge, telle que celle émise par les animaux à sang chaud, frappe l’un de ces hybrides nanotubes-polymères, elle génère un signal électrique.
Ou prenez les cellules solaires : cette technique pourrait être utilisée pour fabriquer des nanotubes semi-conducteurs qui convertissent une gamme plus large de longueurs d’onde en électricité, afin d’exploiter davantage l’énergie solaire.
En raison de l’enveloppe en spirale à la surface des nanotubes, ces structures pourraient également constituer des matériaux idéaux pour de nouvelles formes d’informatique et de stockage de données utilisant les spins des électrons, en plus de leur charge, pour traiter et transporter des informations.
Plus d’information:
Francesco Mastrocinque et al, Ouverture de bande interdite de nanotubes de carbone métalliques à paroi unique via une rupture de symétrie non covalente, Actes de l’Académie nationale des sciences (2024). DOI : 10.1073/pnas.2317078121