Les nanotubes de carbone peuvent « mémoriser » leur structure initiale, le marquage isotopique révèle le processus de croissance dynamique

Une étude publiée le 1er septembre montre que les nanotubes de carbone peuvent conserver leur structure atomique initiale dans un environnement de croissance dynamique. L'équipe de recherche a utilisé une technique de marquage isotopique numérique pour encoder le processus d'allongement d'un nanotube de carbone individuel en une séquence de compositions isotopiques du carbone, puis a lu son historique de croissance par spectroscopie Raman, permettant ainsi de suivre la stabilité structurelle des nanotubes dans des conditions de variations de température et d'évolution du catalyseur.

Les propriétés des nanotubes de carbone dépendent fortement de leur arrangement atomique. Un même matériau peut présenter des caractéristiques métalliques ou semi-conductrices selon sa structure, et l'uniformité structurelle a toujours été un enjeu clé pour l'application à grande échelle des nanotubes de carbone. Dans les voies de production industrielle telles que le dépôt chimique en phase vapeur avec catalyseur flottant, les particules de catalyseur subissent des variations constantes de température et de composition gazeuse dans le réacteur, et peuvent subir une croissance irréversible. Jusqu'à présent, il manquait des preuves directes de la capacité d'un nanotube de carbone individuel à conserver sa structure initiale dans cet environnement complexe.

Dans cette étude, l'équipe a utilisé des impulsions d'éthanol contenant différentes proportions d'isotopes du carbone pour effectuer un « marquage numérique » des nanotubes de carbone en cours de croissance, reconstruisant le processus d'allongement d'un nanotube individuel avec une résolution temporelle de 30 secondes. Les résultats montrent que lorsque la température du four passe de 800 °C à 873 °C puis redescend, la vitesse de croissance du nanotube à la même température peut atteindre environ le double de celle d'avant l'élévation de température. Ce phénomène d'hystérésis indique que le catalyseur a subi un grossissement irréversible à haute température.

Cependant, les variations de vitesse de croissance n'ont pas entraîné de modification structurelle pour la plupart des nanotubes. L'étude montre que même lorsque la longueur des nanotubes de carbone dépasse 100 000 fois leur diamètre, ils conservent une structure cristalline atomiquement cohérente. Parmi les 158 nanotubes de carbone analysés, 139 ont conservé leur chiralité inchangée sur la plage de longueur mesurée, soit environ 88 %. L'étude a également combiné des simulations de Monte Carlo cinétique et des simulations de dynamique moléculaire, confirmant que le grossissement du catalyseur modifie la vitesse de croissance mais ne modifie pas nécessairement le diamètre et la chiralité des nanotubes déjà formés.

Les chercheurs estiment que cela indique que la structure des nanotubes de carbone est principalement déterminée au stade de la nucléation et présente une forte « mémoire structurelle » au cours des étapes ultérieures d'allongement ; en revanche, la vitesse de croissance reste sensible aux facteurs environnementaux tels que la température et l'état du catalyseur. Cette séparation entre la détermination structurelle et la cinétique de croissance offre une nouvelle approche de conception pour la synthèse des nanotubes de carbone : il est possible d'optimiser le contrôle structurel au stade de la nucléation et d'augmenter le rendement au stade de l'allongement, atténuant ainsi le compromis de longue date entre qualité et quantité.