Boris Yakobson, Professeur au Département d’Ingénierie Mécanique de l’Université Rice de Houston termine de m’expliquer sa dernière trouvaille : il pense avoir compris comment s’effectue la croissance des nanotubes de carbone. Son idée apparaît dans un article du dernier numéro des Comptes Rendus de l’Académie de Sciences Américaine (Proceedings of the Academy of Science, ou PNAS), dont il occupe également la couverture. Quiz : si l’on cherche sur Google des informations sur les mécanismes de croissance des nanotubes de carbone, quels mots clés doit-on utiliser ? Réponse : "tapestry" c’est-à-dire "tapisserie".

Bizarre ? Vous n’avez qu’à regarder la couverture, ainsi que l’image ci-dessous. Cette dernière représente un nanotube de carbone chiral, dans lequel on a colorié différemment les différentes rangées atomiques. Il devient facilement observable comment chaque rangée s’enroule autour de l’axe du nanotube, émergeant du coté ouvert du tube avec son extrémité "libre". On ne peut nier que cela rappelle bel et bien une chaussette tricotée… ou une tapisserie tissée fil par fil, si l’on veut être plus élégant…

Lorsque l’on connaît la croissance des cristaux, un autre parallèle, plus pertinent à vrai dire, vient à l’esprit : le nanotube se comporte comme un cristal bidimensionnel, dont les rangées sont les équivalents des plans atomiques, et leurs extrémités l’équivalent des marches. En réalité, il s’agit de bien plus qu’une analogie : un nanotube chiral n’étant rien d’autre qu’un morceau de plan de graphite (ou de feuille de graphène) coupé de sorte à laisser un bord en dent de scie, et enroulé ensuite. Les crans (kinks) sur le bord sont naturellement les sites d’accrétion du cristal, et donc du nanotube. La croissance se ferait donc par "écoulement de crans" ("kink flow", équivalent de l’écoulement des marches" ou "step flow" sur une surface cristalline), les rangées atomiques (si joliment coloriées dans l’image) s’allongeant à partir de leurs extrémités libres.

Au-delà de l’image, l’analogie permet des prédictions quantitatives. Un nanotube "armchair", dont le bord ne contient pas de crans, ne peut croître que très lentement, les nouvelles rangées nécessitant un processus de nucléation pour se former. Un nanotube "zigzag", dont le bord libre n’est composé que de crans, doit posséder la vitesse de croissance la plus élevée. Les nanotubes dont l’angle chiral est intermédiaire entre celui du "armchair" (0°) et celui du "zigzag" (30°) doivent croître à des vitesses essentiellement proportionnelles à l’angle lui-même. En fait, dans le "kink flow" la vitesse de croissance est proportionnelle à la densité de crans, qui est égale à la tangente de l’angle de chiralité, laquelle est à son tour approximativement égale à l’angle pour les valeurs d’intérêt (l’argument de Yakobson, qui fait appel aux dislocations vis, est un peu différent, et abouti à une vitesse de croissance proportionnelle au sinus de l’angle de chiralité, mais la conclusion est la même.

C’est bien cette proportionnalité entre vitesse de croissance des nanotubes et angle chiral que Boris Yakobson et collaborateurs ont pu mettre en évidence, en extrayant habilement les valeurs de la vitesse, jamais mesurée directement, de la foison de données expérimentales existantes.

La compréhension des mécanismes de croissance des nanotubes n’est qu’à ses balbutiements. Les simulations de dynamique moléculaire, le seul outil théorique dont on dispose, et dont l’équipe de Yakobson est à l’avant-garde, ne pouvant donner des informations précises sur les premières étapes, quand les premières rangées du nanotube se forment, et la chiralité est sélectionnée. Le rôle du catalyseur est lui aussi loin d’être clairement compris. Mais ce travail, qui montre de manière très claire le rôle joué par la chiralité lors de la croissance des nanotubes, est un premier pas de grande importance.

A vos tricots, les chercheurs !

Source :

– "Dislocation theory of chirality-controlled nanotube growth", PNAS, 24 Février 2009. DOI: 10.1073/pnas.0811946106
– "Nanotube’s ‘Tapestry’ Controls Its Growth", Sciencedaily – https://www.sciencedaily.com/releases/2009/02/090205113740.htm
– "Nanotube’s ‘tapestry’ controls its growth: PNAS study answers longstanding mystery about carbon nanomaterials", Nanotechnology now – https://www.nanotech-now.com/news.cgi?story_id=32093
– "Nanotube’s ‘tapestry’ controls its growth", Physorg – https://www.physorg.com/news153060785.html
– https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_copper_pillar_bump#Thin-film_thermoelectric_technology

Pour en savoir plus, contacts :

– Sur la croissance cristalline : "Physics of crystal growth" – https://www.cambridge.org/us/catalogue/catalogue.asp?isbn=0521551986
– Contacts : https://www.ruf.rice.edu/~biy/
Code brève
ADIT : 58132

Rédacteur :

Alberto Pimpinelli, [email protected]