'Fullertubes' rejoint la famille des cristaux de carbone

Le carbone peut se transformer en l'un des matériaux les plus durs de la nature, ou en un matériau si mou que les enfants en tracent des traces sur du papier. Il y a plusieurs décennies, les scientifiques ont commencé à se demander : à part le diamant et le graphite, quelles autres formes cristallines le carbone pourrait-il prendre ?

En 1985, ils ont eu leur première réponse. Un groupe de chimistes a découvert de petites sphères creuses constituées de 60 atomes de carbone qu'ils ont surnommées buckminsterfullerènes, ou buckyballs ou fullerènes en abrégé. (Les cristaux ressemblaient à des dômes géodésiques, popularisés par l'architecte R. Buckminster Fuller.) Un nouveau domaine de la chimie a surgi autour des sphères nanométriques, alors que les chercheurs se précipitaient pour découvrir les propriétés et les applications de ce qu'on appelait la plus belle molécule.

Des fullerènes plus gros ont été trouvés. Puis, quelques années plus tard, un article du physicien japonais Sumio Iijima a suscité l'intérêt pour une forme de carbone apparentée, initialement appelée buckytubes mais maintenant connue sous le nom de nanotubes de carbone : des cylindres creux constitués d'un réseau en nid d'abeilles d'atomes de carbone enroulés comme du papier toilette. tube.

Les cristaux de carbone avaient un spectre de propriétés électriques, chimiques et physiques qu'aucun autre élément ne semblait égaler. L'excitation autour de la nanoscience du carbone a été encore plus forte lorsque trois des découvreurs de buckyballs, Robert Curl, Harold Kroto et Richard Smalley, ont reçu le prix Nobel de chimie en 1996. Puis, en 2004, les physiciens Andre Geim et Konstantin Novoselov ont trouvé un moyen d'isoler des feuilles plates d'atomes de carbone - un cristal connu sous le nom de graphène - déclenchant une autre explosion de la recherche qui s'est maintenue depuis et qui leur a valu le prix Nobel de physique 2010.

Récemment, des chimistes ont découvert un autre type de cristal de carbone, cette fois en moins de fanfare. La plupart des experts en carbone contactés pour cette histoire n'en avaient toujours pas entendu parler. Et jusqu'à présent, l'offre mondiale totale s'élève probablement à des milligrammes, soit environ la masse d'une poignée de mouches domestiques.

Ces nouvelles structures de carbone se situent quelque part entre les fullerènes sphériques et les nanotubes cylindriques ; ils sont "un mariage à l'échelle nanométrique" des deux qui a la forme d'une capsule de médicament, selon Harry Dorn, chimiste au Virginia Polytechnic Institute and State University qui collabore avec Steven Stevenson de l'Université Purdue, le premier découvreur des molécules. Stevenson et Dorn ont nommé les cristaux fullertubes.

Les fullertubes combinent les meilleures caractéristiques des fullerènes et des nanotubes. Ou le pire des deux. Ou peut-être un peu du bon et du mauvais de chacun – cela dépend de qui vous demandez. Comment ou si leurs propriétés seront utiles reste à voir. C'est un endroit où nous sommes déjà allés, et nous le sommes sans doute toujours, avec les célèbres parents de carbone de Fullertubes.

Exploitation minière pour Fullertubes

Le centre du monde du fullertube est un laboratoire de chimie de la taille d'un salon sur le campus de Purdue à Fort Wayne, dans l'Indiana. Là, Stevenson et son petit groupe d'étudiants de premier cycle collectent et taxonomisent les nouvelles molécules, qui consistent en des calottes hémisphériques aux extrémités de cylindres de différentes largeurs et longueurs.

En 2020, Stevenson et ses collaborateurs ont annoncé le premier membre de la famille fullertube, une molécule de 90 atomes qui est essentiellement deux moitiés d'un buckyball reliées par une section médiane de nanotube de 30 atomes. Ils ont trouvé la molécule avec deux frères plus grands composés respectivement de 96 et 100 atomes de carbone.

Cette année, Stevenson et Dorn décrit deux autres tubes plus pleins, tous deux composés de 120 atomes de carbone. Leurs études montrent que la plus étroite de ces molécules en forme de pilule est électriquement conductrice, tandis que la plus large et la plus courte est – curieusement – ​​un semi-conducteur, ce qui signifie qu'elle pourrait potentiellement être utilisée pour les transistors et autres appareils électroniques. Les Fullertubes ont également une gamme de propriétés optiques et de traction que les chercheurs explorent encore.

James Heath de l'Institute for Systems Biology de Seattle, qui a aidé à isoler les premiers fullerènes en tant qu'étudiant diplômé travaillant avec Curl et Smalley en 1985, a qualifié les nouveaux fullertubes de "belles structures" qui suivent la même règle géométrique qui l'a amené, lui et ses collègues, à rechercher les fullerènes en premier lieu : la règle selon laquelle 12 pentagones et un nombre pair d'hexagones peuvent former une coquille fermée. (Les buckyballs, par exemple, ont le même motif d'hexagones et de pentagones qu'un ballon de football. Les tubes pleins maintiennent la règle tout en ajoutant des ceintures supplémentaires d'hexagones.)

Les molécules sont sous le nez des chimistes depuis des années, se cachant dans la même suie de carbone spéciale qui a longtemps été la principale source de fullerènes. Mais en 2020, Stevenson a finalement compris comment sélectionner les capsules tubulaires parmi les fullerènes beaucoup plus abondants. Le processus «magique», comme il l'appelle, consiste à «réagir à tout ce qui est sphérique. Nous séparons donc les boules des tubes.

La suie spéciale est généralement fabriquée en vaporisant du carbone sur des tiges de graphite à l'intérieur d'une chambre. Au fur et à mesure que la vapeur de carbone se refroidit sur les parois de la chambre, une grande partie se condense en fullerènes, mais de rares tubes pleins se forment également, saupoudrés comme des pierres précieuses dans une montagne de scories. Le tour de magie de Stevenson repose sur des molécules solubles dans l'eau appelées amines. Ceux-ci sont attirés par des endroits où des arrangements hexagonaux d'atomes de carbone s'attachent à des arrangements pentagonaux - des intersections qui apparaissent partout sur les fullerènes. Les nanotubes, en revanche, ne sont pas attrayants pour les amines car ils ne comportent que des hexagones et les tubes plus pleins sont partiellement protégés des amines par leurs sections médianes de nanotubes. Ainsi, alors que les amines se lient aux fullerènes, les rendant solubles dans l'eau, les tubes de fuller n'ayant pas réagi restent insolubles; Stevenson peut simplement rincer les fullerènes, laissant les fullertubes derrière.

Il fait ensuite passer ses échantillons enrichis en tubes pleins dans des machines qui séparent les molécules en fonction de leur masse et de différences chimiques subtiles, produisant des collections pures de tubes pleins avec des masses, des formes et des propriétés uniformes.

"L'approche de Steve est définitivement quelque chose de fascinant", a déclaré le chimiste Ardémis Boghossian de l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne en Suisse, qui travaille avec les nanotubes. « C'est une approche qui n'est pas traditionnellement utilisée dans notre domaine. … Le sien est un peu plus précis.

Les experts disent que la capacité d'isoler des échantillons purs et uniformes de tubes pleins donne aux molécules beaucoup plus d'attrait qu'elles n'en auraient autrement. Les fullerènes peuvent également être isolés, mais ils n'ont pas les propriétés électriques et optiques qui rendent les tubes pleins et les nanotubes prometteurs en tant que composants de circuits électriques ou de capteurs à base de lumière. Pendant ce temps, la pureté ne reste qu'un rêve pour les chercheurs en nanotubes, qui travaillent souvent avec un fouillis de tubes de longueurs et de diamètres aléatoires, voire de tubes imbriqués dans des tubes. Ainsi, les tubes complets pourraient-ils surmonter les obstacles qui ont assailli ses cousins ​​?

Qu'est-il arrivé aux Buckyballs ?

Dans un 1991 article dans Scientific American, Curl et Smalley ont imaginé des applications révolutionnaires des buckminsterfullerènes, notamment de nouveaux supraconducteurs à base de carbone, de l'électronique et des lubrifiants. « La polyvalence du vrac C₆₀ semble croître de semaine en semaine », ont-ils écrit.

Cinq années ont passé. "Aucune application pratiquement utile n'a encore été produite", a écrit le comité du prix Nobel dans un communiqué de presse de 1996 annonçant que Curl, Kroto et Smalley avaient remporté le prix de chimie pour avoir découvert les buckminsterfullerènes, "mais il ne faut pas s'y attendre dès six ans après que des quantités macroscopiques de fullerènes soient devenues disponibles".

Un quart de siècle plus tard, aucun des produits initialement espérés n'est arrivé sur le marché. Les rares endroits où vous pourriez rencontrer des buckyballs dans le commerce sont des cosmétiques et des compléments alimentaires qui vantent le potentiel de la molécule en tant qu'antioxydant. Cependant, aucun type de produit ne nécessite l'approbation de la FDA et plusieurs études ont montré des signes de toxicité chez les buckyballs. (Une étude semble soutenir les avantages pour la santé, au moins en prolongeant la durée de vie des souris exposé à des rayonnements ionisants; un autre trouve aucun avantage prolongeant la vie chez les souris.)

Michael Crommie, physicien à l'Université de Californie à Berkeley, considère les fullerènes comme importants principalement pour tracer une piste vers d'autres cristaux de carbone. "Parce que nous avons eu des buckyballs", a-t-il dit, "cela a conduit aux nanotubes, et cela a finalement conduit au graphène."

Les nanotubes ont eu plus de succès scientifique et commercial que les fullerènes. Vous pouvez les acheter à la quincaillerie, où ils se trouvent dans du "nano tape" ou du "gecko tape" qui utilise les cristaux pour l'adhérence de la même manière que les pattes des lézards utilisent des poils microscopiques. Les nanotubes sont extraordinairement solides, avec le potentiel de surpasser de loin l'acier - sauf que personne n'a réussi à fabriquer des nanotubes d'une longueur suffisante pour un câblage ultra-résistant. Pourtant, les nanotubes ajoutent de la résistance lorsqu'ils sont mélangés à du tissu, des coques de bateaux, des carrosseries de voitures hautes performances et des raquettes de tennis. Ils sont également largement utilisés pour la filtration de l'eau et pour améliorer les performances de certaines batteries.

Mais alors que ces applications impliquent des quantités massives de nanotubes de longueurs et de diamètres variés, des applications plus innovantes telles que les nanocapteurs de précision nécessiteront des nanotubes identiques les uns aux autres. Deux capteurs construits à partir de nanotubes différents, par exemple, répondront différemment au même stimulus. L'électronique a besoin de composants uniformes pour fonctionner de manière prévisible.

"Nous ne pouvons pas vraiment isoler les nanotubes", a déclaré Boghossian. "Peut-être que la personne qui trouve un moyen simple d'isoler des nanotubes purs pourrait recevoir un prix Nobel", tout comme Geim et Novoselov ont remporté le prix de physique non pas pour avoir découvert le graphène, mais pour l'avoir isolé.

Des chercheurs comme Yu Huang Wang à l'Université du Maryland développent un moyen de couper de longs nanotubes pour produire des longueurs spécifiques - une technique descendante ardue qui commence par un mélange de nanotubes et les transforme en une collection de sections identiques. D'autres chercheurs tentent de construire des nanotubes de bas en haut, atome par atome, mais cette approche est défectueuse et coûteuse.

Le graphène, avec ses feuilles monocouches uniformes, est l'endroit où Crommie pense que le véritable potentiel des nanomatériaux de carbone sera réalisé. Selon lui, la meilleure voie vers des dispositifs électroniques et magnétiques à base de carbone consiste à découper des rubans de graphène en formes utiles - une technique qui, selon lui, a déjà conduit à des dispositifs électroniques complexes en laboratoire.

Petits pas pour Fullertubes

Alors, quel rôle, le cas échéant, pourrait être rempli par les fullertubes ? Parce que les cristaux sont uniformes et peuvent être des conducteurs ou des semi-conducteurs, Stevenson et Dorn imaginent qu'ils pourraient potentiellement être reliés entre eux comme des Legos de taille nanométrique pour fabriquer de l'électronique miniature.

Boghossian insère des nanotubes dans les cellules pour étudier l'environnement à l'intérieur. Elle s'appuie sur la fluorescence des nanotubes : les structures absorbent une couleur de lumière et en émettent une autre, et le changement de lumière révèle des informations sur les conditions cellulaires. Mais la fluorescence dépend de la structure des nanotubes, et les différences entre eux rendent les signaux plus difficiles à interpréter. Les tubes pleins les plus courts ne sont pas fluorescents, mais les plus longs en montrent des signes. Si des tubes pleins encore plus longs émettent une fluorescence plus forte, ils pourraient être une aubaine pour des recherches comme la sienne. "Je pense que cela aidera beaucoup avec les applications optoélectroniques", a-t-elle déclaré.

Depuis 2020, selon une recherche de publications académiques, les fullerènes ont été mentionnés dans environ 22,700 93,000 articles. Les nanotubes apparaissent en 200,000 94. Une recherche sur le graphène donne plus de XNUMX XNUMX citations. Pour fullertubes, au moment d'écrire ces lignes, le nombre total de publications pertinentes est de XNUMX.

Plus de chercheurs pourraient faire le saut vers les tubes plus pleins au fil du temps, dit Boghossian, si les études révèlent des propriétés ressemblant à celles des nanotubes, avec l'avantage supplémentaire de longueurs précises. Pourtant, a-t-elle déclaré, "il faudra une certaine adaptation, car les gens ont travaillé sur les nanotubes [et d'autres formes de carbone] toute leur vie".