Un nanoruban de graphène peut-il changer de sens de torsion comme on tord une serviette ? Des chercheurs de l'université de Nagoya, au Japon, ont apporté une réponse affirmative. Selon le dernier numéro de la revue Nature Communications, ces chercheurs ont réalisé pour la première fois l'inversion à la demande du sens de torsion d'un nanoruban de graphène. Ce résultat pourrait fournir de nouveaux matériaux pour le développement de commutateurs optiques accordables, de capteurs chimiques et de dispositifs spintroniques.
Les nanorubans hélicénoïdes sont des structures en longue chaîne composées de plusieurs cycles carbonés fusionnés, ce qui confère à la molécule une forme torsadée (schéma). Source : université de Nagoya, Japon.
Le nanoruban de graphène est une nanostructure en bande étroite composée d'atomes de carbone. Lorsqu'un nanoruban subit une torsion, il forme une morphologie semblable à une hélice, et ses propriétés optiques et électroniques diffèrent selon qu'il est tordu vers la gauche ou vers la droite. Auparavant, les chercheurs pouvaient certes fabriquer des nanorubans de graphène hélicoïdaux, mais il leur était difficile de leur faire changer de sens de torsion à volonté.
La clé de cette étude réside dans une unité tétracyclique hélicénoïde longtemps considérée comme « difficile à contrôler ». Ces unités passent rapidement d'un état lévogyre à un état dextrogyre, et il est difficile de maintenir un sens de torsion fixe. Toutefois, lorsque plusieurs unités sont reliées entre elles, les unités adjacentes s'influencent mutuellement et tendent à se tordre dans la même direction, formant finalement une structure hélicoïdale relativement uniforme.
Sur cette base, ils ont ensuite utilisé un solvant pour contrôler le sens de torsion du nanoruban. Après avoir testé 6 solvants candidats, ils ont découvert que le β-pinène, un composé naturel issu des pins et des agrumes, pouvait jouer ce rôle.
Le β-pinène se présente sous deux formes moléculaires images miroir l'une de l'autre, et ces différentes formes moléculaires font tourner le nanoruban dans des directions différentes. Autrement dit, il suffit de changer de solvant pour contrôler si le nanoruban se tord vers la gauche ou vers la droite.
Lorsque le sens de torsion du nanoruban change, la lumière qu'il émet change également : les deux états de torsion produisent une luminescence circulairement polarisée de directions différentes. Cela signifie qu'en contrôlant le sens de torsion du nanoruban, on peut moduler ses propriétés optiques. Cet effet de commutation est le plus marqué à -90 °C, et s'atténue progressivement à mesure que la température remonte jusqu'à la température ambiante.
Les chercheurs indiquent qu'il s'agit de la première réalisation de cette luminescence circulairement polarisée commutable dans un nanoruban de graphène. Ce matériau, capable de modifier son sens de torsion et ses propriétés optiques en fonction de l'environnement extérieur, pourrait à l'avenir être utilisé dans les domaines des commutateurs optiques, des capteurs chimiques et des dispositifs électroniques. Comme la structure hélicoïdale peut également influencer le transport des électrons dans différents états de spin, il pourrait aussi être employé dans les dispositifs spintroniques.