Nano-Carbone

Sous l’effet de la pression le graphite devient diamant : c’est probablement la transition la plus connue entre deux solides. Elle implique par ailleurs un changement de dimensionnalité de la liaison carbone, depuis une structure planaire (2D) à une structure 3D. Comment évoluent sous l’effet de la pression les nanoformes de carbone à dimensionnalité réduite tels que les nanotubes, graphène, fullerènes et autres nano-cavités ? Peut-on guider ces évolutions pour créer des nouveaux nanomatériaux capables de donner des meilleures réponses aux besoins croissants de notre société par exemple dans le domaine énergétique ? C’est le défi de cette thématique de recherche qui vise à comprendre comment la dimensionnalité de ces formes de carbone évolue dans des conditions extrêmes et comment tirer profite pour élaborer des nouveaux supraconducteurs, matériaux thermoélectriques, des super-capaciteurs, matériaux photovoltaïques… sans négliger d’autres opportunités qui peuvent émerger dans d’autres domaines comme dans la biophysique, les propriétés optiques…

Nous nous intéressons aussi à l’évolution des propriétés électroniques et mécaniques de nano-formes de carbone en relation avec des sollicitations externes. Nos recherches incluent l’étude de la déformation de ces structures, l’évolution du transport électronique et le couplage de l’évolution des propriétés électroniques et mécaniques sous sollicitations extrêmes. Le couplage avec divers environnements (nano-composites, biomolécules, …) ou le développement de dispositifs électromécaniques (NEMS) constituent des axes d’applications explorés.

Ces recherches sont fortement soutenues par des efforts dans la nano-fabrication (lithographie, CVD,…) couplés à l’utilisation de conditions extrêmes de pression et de température (cellules à enclumes de dimant, SPS-ultra haute pression, chauffage laser,…). Des méthodes d’étude incluent des spectroscopies optiques (Raman, SMS,…), des sondes microscopiques (AFM, TEM, MEB,…) et l’utilisation de grands instruments comme les sources de rayons X de type synchrotron (ESRF, SOLEIL) ou les réacteurs de neutrons (ILL, LLB) pour des expériences de diffusion aux petits angles ou absorption de rayons-X (XANES, EXAFS) entre autres.

Intervenants:

Alfonso San Miguel
Denis Machon
Vittoria Pischedda
Daniela Russo
Régis Debord
Sylvie LeFloch
Franck Legrand
Wenwen Cui (PhD)
Silvio Domingo Silva Santos (PhD)
Rafael Silva Alencar (PhD)
Aude Stolz (PhD)

Faits Marquants

Effondrement de nanopores sous pression dans du graphite expansé

Le graphite expansé est une forme désordonnée du graphite présentant une porosité très importante. Nous avons montré comment la dimension fractale de l’interface créée par les pores évolue avec la contrainte et a mis en évidence un mécanisme de fermeture de pores de taille nanométrique par effondrement irréversible similaire à celui observé dans les nanotubes de carbone. Au-delà de l’intérêt pour la compréhension de la mécanique du graphite expansé qui est utilisé par exemple dans des joints d’étanchéité, ce mécanisme pourrait être beaucoup plus général et s’appliquer par exemples aux argiles ou à d’autres systèmes lamellaires, naturels ou artificiels, soumis à d’importantes contraintes mécaniques.

Mécanisme d'effondrement et de division irréversible des pores dans le graphite flexible sous l'effet d'une pression uniaxiale. 'An in situ small angle neutron scattering study of expanded graphite under a uniaxial stress', Carbon (accepté); Félix Balima, Vittoria Pischedda, Sylvie Le Floch et Alfonso San Miguel en collaboration avec A. Brûlet (LLB, Saclay), P. Linder (ILL, Grenoble) et L. Duclaux (Université de Savoie).

Effondrement de nanotubes de carbone sous pression.

Nous avons réalisé une étude théorique de l’évolution du spectre Raman de nanotubes de carbone monoparois et biparois sous pression. Nos résultats montrent, en accord avec les expériences que l’évolution sous pression de la bande G du spectre Raman est un bon indicateur pour détecter l’effondrement des nanotubes de carbone. Une analyse détaillée permet d'en comprendre les raisons.

Le spectre Raman sous pression calculé pour la bande G (panneau de gauche) a des contributions qui dépendent de la région du tube considerée qui est donnée par l’angle azimutal (panneau de droite). A. L. Aguiar, Rodrigo B. Capaz, A. G. Souza Filho et A. San-Miguel, J. Phys Chem C, 116, 22637 (2012)