Dans le secret des labos, il arrive que des accidents de « manip » permettent des découvertes impromptues. Il en va ainsi pour des structures évoquant une forêt de sapins enneigés, qui sont en réalité un réseau de micropyramides de suie, vues au microscope électronique à balayage. D’environ 5 micromètres de hauteur chacune, hexagonales à la base, elles sont apparues sur un microtube de carbone à la suite d’une fuite d’air dans une expérience censée être réalisée dans une atmosphère d’argon.
« Nous avons découvert cette structure intéressante par hasard », reconnaît Valeriy Luchnikov, chercheur à l’Institut des sciences des matériaux de Mulhouse (CNRS/université de Haute-Alsace). Ces pyramides, constituées de nanoparticules de carbone multicouches, assimilables à des nano-oignons de carbone, peuvent émettre un courant électrique dit « tunnel électrique » lorsqu’elles sont soumises à un champ électrique. Cette étude, menée en collaboration avec Yukie Saito (université de Tokyo), a fait l’objet d’une publication dans ACS Nano, le 13 décembre.
Les deux scientifiques étaient bien à la recherche de modalités de croissance de nanostructures, mais d’une tout autre nature. Pour leurs travaux, ils utilisent des microtubes de quelques centaines de micromètres de diamètre préparés par enroulement de fines couches de chitosane, un biopolymère dérivé de la chitine, le composant principal de la carapace des insectes et des crustacés. Les tubes sont ensuite traités thermiquement en les chauffant lentement dans une atmosphère d’argon à 1 000 °C. Cela transforme le chitosane en carbone électriquement conducteur.
De l’écran plat au barrage à la pollution
C’est ici que commencent leurs manipulations. En faisant passer l’électricité par ces microtubes désormais conducteurs, ils font monter leur température jusqu’à 2 400 °C. Ces microfours permettent ainsi de soumettre à des températures incroyables des nanoparticules glissées à l’intérieur et d’examiner leur comportement. Mais, patatras, leur système n’était pas étanche, et une petite fuite d’air a tout perturbé. L’oxygène a provoqué la combustion du carbone, mais en quantité insuffisante, elle a laissé de la suie comme résidu de combustion. Cette poussière s’est structurée de façon originale, formant ces pyramides sur la surface extérieure des nanotubes.
L’expérience a été reproduite sous une atmosphère d’argon contenant des traces d’oxygène (environ 300 ppm). Le phénomène se produit à partir de 2 300 °C. Comment expliquer cette forme pyramidale ? Mystère. « C’est encore une énigme scientifique, on peut penser que c’est en raison de la force thermophorétique, provoquée par l’important gradient de température entre la surface du tube et ses alentours », avance Valeriy Luchnikov. Toujours est-il que ces pyramides de poussière peuvent être durcies en les chauffant à nouveau sous une atmosphère sans oxygène.
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