Les nanotubes de carbone (NTC) sont des allotropes de carbone en forme de nid d'abeille cylindrique avec un diamètre nanométrique.
Les nombreuses propriétés des NTC, telles que la résistance mécanique, l'élasticité, la légèreté et la conductivité électrique et thermique, en font le matériau le plus prometteur.
De nombreuses industries, dont l'électronique, la médecine, le stockage de l'énergie, les capteurs et bien d'autres encore, utilisent les NTC en grand nombre. La demande croissante a exercé une pression constante sur l'amélioration de la fabrication des NTC.
Cette production à grande échelle de NTC est devenue le principal obstacle à leurs applications.
Relever le défi :
En général, les scientifiques préfèrent cultiver des forêts de NTC plutôt que de les cultiver individuellement. Les forêts de NTC sont des réseaux de NTC alignés verticalement et auto-assemblés.
Cette opération est généralement réalisée par dépôt chimique en phase vapeur en présence d'un catalyseur fixe sur un substrat qui est ensuite séparé de la forêt de NTC afin d'obtenir un matériau d'une grande pureté.
Bien que ce processus présente de nombreux avantages, le seul problème majeur qui se pose est celui de la longueur.
Jusqu'à présent, les chercheurs ont réussi à faire croître la forêt de NTC jusqu'à 2 cm en utilisant des catalyseurs comme le fer (Fe) sur un support d'oxyde d'aluminium (Al2O3) (la longueur des NTC joue un rôle essentiel dans leurs propriétés, d'où la nécessité de prendre cet aspect en considération).
Cela affecte sa valeur industrielle en limitant l'offre et en augmentant le coût du matériau.
Une découverte révolutionnaire a totalement changé la donne.
Récemment, une équipe de scientifiques japonais a enregistré la longueur d'une forêt de NTC jusqu'à 14 cm grâce à une nouvelle approche. Leur étude a été publiée récemment dans la revue Carbon.
Hisashi Sugime, professeur adjoint à l'université de Waseda, et son équipe ont découvert que les NTC cessaient de croître en raison du changement structurel progressif du catalyseur (Fe-Al2Ox) utilisé précédemment.
En principe, la densité des NTC, qui dépend du nombre de catalyseurs actifs, est insuffisante pour maintenir une structure autoportante, ce qui met fin à la croissance de la forêt.
Par conséquent, le catalyseur utilisé doit rester structurellement et chimiquement stable.
Leur approche a consisté à modifier la technique pour supprimer cette instabilité.
Ils y sont parvenus en ajoutant une couche de gadolinium (Gd) au catalyseur antérieur recouvert d'un substrat de silicium de type n.
La couche de gadolinium a contribué à empêcher la détérioration du catalyseur et a permis à la forêt de NTC de croître de 5 cm.
Pour obtenir la longueur souhaitée, ils ont maintenu le catalyseur dans une chambre appelée chambre de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à gaz froid.
Le catalyseur a été prétraité en maintenant la température jusqu'à 750°C et en fournissant de petites concentrations de vapeurs de Fe et d'Al à température ambiante.
Cela a permis de maintenir la structure du catalyseur pendant 26 heures, ce qui a favorisé la croissance de la forêt de NTC.
Après des analyses approfondies, ils ont réussi à enregistrer la longueur de la forêt de NTC sur 14 cm.
Ces progrès remarquables ont élargi les possibilités d'application des NTC.
Il pourrait modifier l'approche des nanotechnologies et des nanosciences pour les recherches futures.
Pour lire l'intégralité de l'article de recherche publié, veuillez vous référer au DOI ci-dessous.
Référence :
Hisashi Sugime, Toshihiro Sato, Rei Nakagawa, Tatsuhiro Hayashi, Yoku Inoue, Suguru Noda. Forêt de nanotubes de carbone ultra-longue via des suppléments in situ de sources de vapeur de fer et d'aluminium. Carbone, 2020; https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.10.066
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