Les chercheurs ont réalisé une avancée majeure dans la science des matériaux en créant des nanotubes métalliques stables à partir du disulfure de niobium, un exploit longtemps considéré comme insaisissable. L’ingrédient clé inattendu ? Sel de table ordinaire. Cette découverte, publiée dans ACS Nano, ouvre la porte à une électronique plus rapide, à des fils supraconducteurs et potentiellement même à de futurs ordinateurs quantiques.
Les nanotubes sont de minuscules cylindres d’atomes enroulés, dont des milliers pourraient tenir sur un cheveu humain. Leur taille et leur structure uniques leur confèrent des propriétés extraordinaires par rapport aux matériaux en vrac traditionnels. Ils peuvent être plus résistants que l’acier mais plus légers que le plastique, conduire efficacement l’électricité avec une résistance minimale, transférer efficacement la chaleur et même présenter des effets quantiques inhabituels.
Ces caractéristiques ont fait des nanotubes des éléments constitutifs très recherchés pour les technologies avancées. Cependant, les efforts précédents portaient principalement sur la création de nanotubes à partir de carbone (semi-conducteur ou semi-métal) et de nitrure de bore (isolant). La fabrication de nanotubes métalliques, qui se comportent différemment au niveau atomique, s’est avérée très difficile.
Les nanotubes métalliques sont extrêmement prometteurs en raison de leur potentiel de supraconductivité – permettant à l’électricité de circuler sans résistance – et de magnétisme. “Ces coques peuvent, en principe, montrer des phénomènes tels que la supraconductivité et le magnétisme, qui sont impossibles dans les versions isolantes ou semi-conductrices”, explique Slava V. Rotkin, professeur d’ingénierie et de mécanique et chercheur principal à Penn State. “Les tentatives précédentes avec des nanotubes de carbone n’ont pas permis d’atteindre ces propriétés en raison d’une densité électronique insuffisante.”
L’équipe s’est concentrée sur le disulfure de niobium, un métal connu pour sa supraconductivité sous forme massive. Ils ont réussi à transformer ce métal en tubes incroyablement fins – des milliardièmes de mètre de large – en l’enroulant autour de gabarits constitués de nanotubes de carbone et de nitrure de bore.
Ce processus de mise en forme s’est avéré une avancée majeure : normalement, le disulfure de niobium préfère former des feuilles plates.
La solution inattendue ? Un minuscule ajout de sel de table à un moment précis du processus de croissance. “Dans un sens, c’était comme de l’alchimie”, explique Rotkin. “Vous ajoutez ce minuscule ingrédient et soudain la réaction change. Sans sel, le disulfure de niobium s’aplatit ; avec lui, il enveloppe le nanotube et forme les coquilles dont nous avons besoin.”
D’autres surprises sont apparues au cours de l’observation. Au lieu de former principalement des tubes monocouches, ces nanotubes ont favorisé une structure à double coque, semblable à des pailles emboîtées.
Rotkin postule que cette formation inhabituelle est due à l’activité électrique entre les couches. “Avec deux couches, les électrons peuvent passer de l’une à l’autre”, explique-t-il, “agissant comme un condensateur de taille atomique qui stabilise la structure entière”. Les modèles informatiques soutiennent cette théorie.
Cette forme roulée unique répond également à un défi persistant lié au travail avec des matériaux 2D plats. Pour créer des nanofils à partir de ces feuilles, les scientifiques ont généralement recours à la lithographie, semblable à la gravure de motifs sur des puces de silicium. Cependant, à des échelles aussi minuscules, la sculpture laisse des bords irréguliers qui perturbent les propriétés du matériau.
“Si vous l’enroulez”, note Rotkin, “vous obtenez une coque sans liaisons pendantes. Le diamètre de la coque vous indique exactement quel sera son comportement. Les nanotubes sont beaucoup moins aléatoires que les nanofils découpés dans des feuilles bidimensionnelles.” Cette précision pourrait rendre les nanotubes métalliques inestimables pour les applications nécessitant des performances fiables à l’échelle nanométrique.
Alors que la recherche en est encore à ses débuts, cette validation de principe offre un aperçu de possibilités passionnantes. “Il s’agit de premiers résultats”, déclare Rotkin, “mais ils montrent que nous pouvons cultiver des nanotubes métalliques et commencer à comprendre leur stabilité. À partir de là, nous pouvons commencer à réfléchir à la manière de les intégrer dans les technologies.”
Le projet souligne le pouvoir de la collaboration internationale. « Ce travail ne peut pas être réalisé de manière isolée », souligne Rotkin. « Il faut une équipe aux expertises diverses, et j’ai eu la chance de faire partie d’une telle équipe. »
Les recherches futures pourraient ouvrir la voie à des fils supraconducteurs permettant une électronique plus rapide, ainsi qu’à l’exploration d’applications en informatique quantique – des technologies qui reposent sur l’exploitation des propriétés uniques des matériaux à l’échelle nanométrique.
