Synopsis : Nanotechnologie

Molécules Extralongues
Les nanotubes de carbone s'étirent

Le contexte: Un peu plus d'un nanomètre de large, les nanotubes de carbone sont devenus des superstars du monde nano : exceptionnellement forts, électriquement conducteurs et stables à haute température. Les fibres composées de nanotubes devraient surpasser celles fabriquées à partir de tout matériau existant. Cependant, la longueur des tubes - la plupart ne mesurent que quelques dixièmes de millimètre - nécessite qu'ils soient alignés pour des performances optimales. Aujourd'hui, des chercheurs du Laboratoire national de Los Alamos et de l'Université Duke ont créé des nanotubes de quelques centimètres de long, et dont la longueur n'est vérifiée que par la taille de la chambre utilisée pour les créer.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de janvier 2005

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Méthodes et résultats : L'équipe de Los Alamos a synthétisé les nanotubes en faisant couler des vapeurs d'éthanol à 900 °C sur un catalyseur de fer déposé sur une plaquette de silicium. Des tubes se sont développés à partir de ces points de catalyseur ; le catalyseur a été poussé le long de la surface de la plaquette dans le sens du flux de gaz. Les tubes les plus longs atteignaient quatre centimètres sous forme de lignes droites sur toute la longueur de la plaquette de silicium, se terminant uniquement au bord de la plaquette.

Pourquoi est-ce important: Des faisceaux de nanotubes de carbone, filés sous forme de fibres, ont été promus pour des applications où une résistance élevée et un faible poids sont essentiels, des équipements sportifs comme les clubs de golf ou les raquettes de tennis aux rêves de science-fiction d'ascenseurs s'étendant dans l'espace. Bien que les tubes plus courts aient de nombreuses applications prometteuses en soi, des faisceaux d'entre eux n'ont pas réussi à atteindre leur potentiel en raison de la faiblesse des liens entre les tubes. L'allongement des tubes réduit ces problèmes, rapprochant les chercheurs de l'exploitation de la résistance et de la conductivité remarquables des faisceaux de nanotubes. Mais les chercheurs de Los Alamos et Duke ont fait plus que faire progresser une technologie ; ils ont fait l'impensable, en construisant des molécules individuelles aussi longues qu'un trombone.

Source : Zheng, L. X. et al. (2004) Nanotubes de carbone ultralongs monoparoi. Matériaux naturels 3 : 673-6.

Nano chaudrons
Une route plus conviviale vers les zéolites

Le contexte: Les minéraux appelés zéolites sont essentiels à la chimie industrielle car ils aident à convertir le pétrole brut en produits chimiques utiles, y compris les matériaux utilisés dans les plastiques. En réduisant considérablement le coût des produits pétrochimiques, les zéolites rendent tout, des pilules aux protecteurs de poche, plus abordables. Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de St. Andrews en Écosse ont découvert un moyen de fabriquer ces minéraux nanostructurés qui est non seulement moins cher, mais aussi plus rapide, plus sûr et moins toxique.

Méthodes et résultats : Les zéolites sont généralement fabriquées dans de l'eau chaude à des pressions dangereusement élevées. Les minéraux sont criblés de pores nanométriques; les molécules nichées à l'intérieur de ces pores réagissent rapidement et proprement. Les chimistes créent les zéolites par une réaction de condensation, au cours de laquelle des précurseurs minéraux encapsulent des molécules ajoutées comme modèles, formant un solide poreux. Au lieu de fabriquer des zéolites dans l'eau, Emily Cooper, postdoctorante en chimie à St. Andrews, et ses collègues ont utilisé des sels liquides à une température relativement basse. Ces liquides sont constitués de molécules chargées, ou ions, de sorte que les précurseurs minéraux se condensent directement autour d'eux, éliminant ainsi le besoin de modèles. Ensuite, les ions de sel sont éliminés, laissant une structure avec des trous de la taille du nanomètre. La recette a donné cinq nouveaux matériaux nanoporeux ; deux représentaient des classes qui n'avaient jamais été vues auparavant.

Pourquoi est-ce important: Le procédé standard de fabrication des zéolites est coûteux et dangereux, et il nécessite un équipement spécialisé. Avec la nouvelle technique, même un laboratoire de lycée devrait pouvoir les fabriquer. Les millions de compositions de sels possibles produites grâce à ce procédé pourraient entraîner la création de familles de zéolites aux fonctions entièrement nouvelles, conduisant à des produits de tous les jours meilleurs et moins chers.

Source : Cooper, E.R. et al. (2004) Liquides ioniques et mélanges eutectiques comme solvant et matrice dans la synthèse d'analogues de zéolite. La nature 430 : 1012-6.

Je dois avoir l'air net
La microscopie à force atomique effectue des mesures électriques

Le contexte: Le taux de corrosion dans les appareils tels que les batteries et les semi-conducteurs est souvent dicté par des imperfections de la taille du nanomètre. Les microscopes à force atomique (AFM) conducteurs peuvent imager ces nanodéfauts, mais pour mesurer avec précision leurs propriétés électriques, il faut savoir dans quelle mesure la pointe conductrice pointue du microscope entre en contact avec la surface active. À l'aide d'un modèle mathématique, Ryan O'Hayre, professeur adjoint au département de génie mécanique de l'Université de Stanford, et ses collègues ont trouvé un moyen de mesurer indirectement cette zone de contact, surmontant une limite de la microscopie à pointe conductrice et améliorant le contrôle qualité.

Méthodes et résultats : Les chercheurs ont utilisé une pointe AFM revêtue de platine pour surveiller la réaction entre l'hydrogène et l'oxygène à la surface d'une membrane de pile à combustible en polymère ; la pile à combustible a été choisie pour montrer que les mesures à l'échelle nanométrique peuvent être corrélées aux résultats à l'échelle macroscopique. La vitesse de la réaction dépend de la force que la pointe applique à la membrane : la force pousse les matériaux ensemble, les faisant se déformer légèrement, et augmente ainsi la zone d'interaction entre les deux. Surtout, les chercheurs ont montré que la zone d'interaction peut être estimée en déterminant la dureté de la membrane, accompagnée de quelques hypothèses et astuces mathématiques. Les chercheurs ont expérimenté sur trois ordres de grandeur de force entre la pointe et l'échantillon, et leurs résultats étaient tous cohérents avec les expériences conventionnelles, ce qui les rend plus crédibles.

Pourquoi est-ce important: La conduite de l'AFM peut donner une résolution à l'échelle nanométrique aux mesures électriques des semi-conducteurs, des piles à combustible, des batteries et d'autres dispositifs. Mais s'il était possible de mesurer des changements relatifs de propriétés telles que la conductivité, la capacité et l'impédance à travers la surface d'un seul échantillon de matériau, il était impossible de comparer de telles mesures entre les matériaux. La conduite de l'AFM, bien que capable de trouver des défauts, n'a pas pu mesurer leur gravité absolue, car différents matériaux interagissaient avec la pointe de l'AFM de différentes manières. Ce raffinement peut convertir l'AFM conducteur d'un instrument de recherche en un outil utile dans un certain nombre d'industries.

Source : O'Hayre, R. et al. (2004) Mesure quantitative d'impédance par microscopie à force atomique. Journal de physique appliquée 96 : 3540-9.

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