Des diamants au cœur des fils électriques les plus fins du monde

Avec l’annonce faite au lendemain de ce Noël 2016 par des chercheurs américains, la course à la miniaturisation est plus que jamais d’actualité. Ils sont en effet parvenus à assembler des atomes pour former les fils électriques les plus fins du monde. Pas plus de trois atomes d’épaisseur. Et cela, grâce à de minuscules diamants.

C’est dans les colonnes de Nature Materials qu’une équipe de chercheurs de l’université de Stanford (États-Unis) a annoncé avoir mis au point une nouvelle technique d’assemblage de nanomatériaux à base de diamantoïdes. Il s’agit même d’une technique d’autoassemblage. Selon Nicholas Melosh, professeur à Stanford, « la première à être en mesure de donner naissance à des nanofils présentant des noyaux solides et cristallins et des propriétés électroniques intéressantes ». Les fils qu’ils ont ainsi produits se composent d’un noyau semi-conducteur — fait d’une combinaison de cuivre et de souffre — enveloppé dans une coque isolante de diamantoïdes.

Rappelons que les diamantoïdes constituent un petit groupe de composés tridimensionnels présentant une structure semblable à celle des diamants, à base de tétraèdres de carbone. En somme, ce sont des diamants infiniment petits, des nanodiamants. Ils ont été découverts dans le pétrole, il y a quelque 80 ans maintenant. À cette époque, ils étaient considérés comme indésirables, car ils s’accumulaient dans les pipelines et finissaient par les boucher.

Diamantoïdes

Gros plan sur des diamantoïdes purifiés. Les diamantoïdes sont de minuscules diamants qui ne sont visibles à l’œil nu qu’à partir du moment où ils s’agrègent en cristaux, fins comme ceux du sucre. (Source : Slac National Accelerator Laboratory)

Mais ils disposent aussi de nombreux sites d’attachements sur lesquels ils peuvent recevoir d’autres molécules et atomes. Les diamantoïdes peuvent donc être fonctionnalisés en les enrichissant d’autres éléments chimiques que le carbone. Ainsi, associés à un groupe amine, les diamantoïdes ont permis de concevoir par le passé, un médicament contre la grippe. Et ces molécules pourraient très rapidement se muer en briques élémentaires pour la création des nanomatériaux du futur.

Depuis plusieurs années maintenant, un laboratoire du Slac (université de Stanford) s’est spécialisé dans l’extraction et la séparation par taille et géométrie de ces diamantoïdes. Dans le cas présent, les chercheurs ont utilisé les plus petits diamantoïdes à leur disposition. Des cages formées de seulement dix atomes de carbone auxquelles ils ont attaché un atome de soufre. Une fois ces minuscules structures plongées dans une solution contenant des ions cuivre, les deux se sont naturellement liés constituant ainsi des sortes de briques de base pour les futurs nanofils électriques. Et ces briques, sous l’influence des forces de Van der Waals ont ensuite tout aussi naturellement dérivé les unes vers les autres, faisant croître ledit nanofil.

Formation nanofil diamant

Sur cette animation, des briques élémentaires viennent former un nanofil conducteur. Chacune des briques se compose d’un diamantoïde lié à des atomes de soufre et de cuivre (sphères jaunes et brunes). Comme des Lego, ces briques élémentaires s’emboitent de façon prédéterminée par leur forme et par leur taille. (Source : Slac National Accelerator Laboratory)

« Comme dans un jeu de Lego, ici, les briques ne peuvent s’imbriquer que d’une seule façon, déterminée par leur taille et leur forme. Les atomes de cuivre et de soufre se sont ainsi retrouvés à l’intérieur, formant le cœur conducteur du fil et les diamantoïdes se sont enroulés sur l’extérieur pour former une coque isolante », explique Fei Hua Li, une étudiante de Stanford qui a pris part à l’étude.

Les chercheurs de Stanford ont d’ores et déjà fabriqué ainsi des nanofils à base de cadmium, de zinc, de fer ou encore d’argent. Des nanofils suffisamment longs pour qu’ils puissent être visibles à l’œil nu. Ils ont également testé différents solvants. Et ils ont tenté de travailler avec d’autres molécules en forme de cage comme les carboranes. De quoi voir en cette nouvelle technique, comme « une trousse à outils qui permettrait, en modifiant simplement les ingrédients et les conditions expérimentales, d’imaginer de nouveaux matériaux aux propriétés électroniques finement réglées », assure Nicholas Melosh.

Source : Futura-Sciences

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