Oubliez le graphène et les nanotubes de carbone, préparez-vous pour le nanofil de diamant

Il ne se passe pratiquement pas une semaine sans que quelqu'un proclame une nouvelle application pour le graphène, la forme de carbone qui se présente en feuilles simples avec une structure semblable à un fil de poulet (voir Research Hints at Graphene's Photovoltaic Potential ). Roulez une feuille de graphène dans un tube et cela forme un nanotube de carbone, un autre matériau miracle aux nombreuses applications. Et enroulez-le plus loin dans une boule et, avec un petit réarrangement des liens, il forme des buckyballs.

Maintenant, il y a un petit nouveau sur le bloc de carbone. Le mois dernier, une équipe de la Pennsylvania State University et d'ailleurs a annoncé qu'elle avait créé un autre type de carbone qui prend la forme d'un cristal de diamant unidimensionnel coiffé d'hydrogène. Ils appellent ce nouveau matériau nanofil de diamant.

Cela a provoqué une vague d'excitation et soulevé des questions intéressantes. Les scientifiques des matériaux sont fascinés par les propriétés potentielles d'un nanofil de diamant et ses applications. Mais une crainte est qu'un tel fil soit si fragile qu'il se brise comme du verre sous n'importe quel type de charge, une propriété qui limiterait considérablement son utilisation.

Aujourd'hui, nous avons un nouvel aperçu des nanofils de diamant grâce au travail de Haifei Zhan de l'Université de technologie du Queensland en Australie et de quelques amis. Ces gars ont modélisé les fils à l'aide de simulations de dynamique moléculaire à grande échelle. Et ils concluent que le matériau pourrait être plus polyvalent qu'on ne le pensait. Il y a des signes provisoires que le nanofil de diamant pourrait être un nouveau matériau miracle à part entière.

L'équipe de Penn State a fabriqué le nanofil à partir de molécules de benzène, de simples anneaux d'atomes de carbone. Il n'est pas difficile de voir comment une pile de ceux-ci pourrait se lier d'une manière qui forme un fil.

Et c'est exactement ce que l'équipe de Penn State a fait. Ils ont empilé les molécules en une ligne, l'ont placée sous pression pour que les molécules polymérisent et, le tour est joué, ont créé un nanofil de diamant.

Cela semble simple en théorie, mais la complexité découle de la manière dont les atomes de carbone peuvent se lier. Diverses configurations sont possibles, et la question que Zhan et ses collaborateurs étudient est de savoir comment les propriétés du fil dépendent de ces arrangements.

En particulier, Zhan et co examinent les deux configurations les plus courantes. Le premier est du benzène polymérisé simple - un empilement de ces anneaux liés ensemble. Il s'agit d'une molécule rigide qui devient de plus en plus cassante à mesure qu'elle s'allonge. Construire quelque chose de complexe avec de longues sections de polybenzène reviendrait à essayer de coudre avec des spaghettis non cuits.

Mais il existe une autre configuration d'atomes de carbone connue sous le nom de défauts de Stone-Wales, et ceux-ci sont beaucoup plus malléables. En effet, les défauts de Stone-Wales agissent comme des charnières reliant des sections de poly-benzène.

Zhan et co simulent comment les propriétés du nanofil varient à mesure que la densité de ces défauts augmente. Et ils concluent que lorsque la densité franchit un seuil particulier, le fil passe soudainement de cassant à entièrement flexible, un peu comme la différence entre les spaghettis crus et cuits.

C'est un résultat intéressant. Cela implique que la propriété du nanofil peut être réglée simplement en contrôlant la densité des défauts de Stone-Wales sur sa longueur. Ainsi, certaines parties du fil peuvent être rendues rigides, tandis que d'autres sont entièrement flexibles.

Qu'en est-il des applications potentielles ? Sa ductilité hautement ajustable ainsi que sa densité ultra-légère et son module de Young élevé font du nanofil de diamant l'idéal pour la création de nano-architectures tridimensionnelles extrêmement solides, déclarent Zhan et co.

Bien sûr, ce travail n'est qu'une simulation. Il y aura presque certainement des différences entre ses prédictions et le comportement des nanofils de diamant dans le monde réel. La prochaine étape consistera donc pour les scientifiques des matériaux à créer des kits de construction de nanofils et à commencer à mesurer les propriétés de ce matériau pour de vrai.

Compte tenu de l'énorme intérêt pour l'architecture du carbone et des énormes sommes d'argent investies dans ce domaine - l'Union européenne à elle seule a un projet de recherche d'un milliard d'euros axé uniquement sur le graphène - il ne faudra sûrement pas longtemps avant que nous voyions des nanofils de diamant dans la chair. et certaines des applications extraordinaires qu'il devrait rendre possibles.

Réf : arxiv.org/abs/1511.01583 : De fragile à ductile : une ductilité dépendante de la structure du nanofil de diamant

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