fr.wedoany.com Rapport : Des chercheurs de l’Université de l’Arizona (University of Arizona) ont découvert qu’en intégrant des nanorubans de graphène dans des dispositifs semi-conducteurs et en les exposant à un rayonnement gamma, ces nanorubans peuvent servir de capteurs de rayonnement avancés pour les réacteurs à fusion et les applications spatiales lointaines. Les résultats ont été publiés dans la revue ACS Applied Materials & Interfaces.
L’équipe de recherche a intégré des nanorubans de graphène (GNRs) dans des dispositifs semi-conducteurs et a testé leur réponse au rayonnement gamma. Les résultats expérimentaux montrent que ces nanorubans peuvent fonctionner dans des environnements extrêmes tels que les réacteurs à fusion et l’exploration spatiale lointaine, où le rayonnement intense pose un défi aux capteurs à base de silicium existants. Les chercheurs soulignent qu’une surveillance étroite de la dégradation des matériaux contribue à maintenir la fiabilité des systèmes critiques dans ces environnements. Zafer Mutlu, chercheur principal et professeur adjoint en science et ingénierie des matériaux à l’École d’ingénierie de l’Université de l’Arizona, a indiqué que ces dispositifs survivent et répondent après une exposition aux radiations, mais que leurs propriétés électriques subissent des changements significatifs.
Dans le domaine de l’énergie de fusion, les capteurs à base de GNR pourraient contribuer au développement d’une énergie de fusion propre et quasi illimitée en améliorant la manière dont les ingénieurs surveillent l’état de la première paroi des réacteurs nucléaires. La première paroi est la barrière la plus interne séparant le combustible surchauffé de la structure du réacteur ; elle se dégrade progressivement sous un rayonnement intense et nécessite des inspections et des remplacements réguliers. Actuellement, pour suivre cette dégradation, les capteurs à base de silicium existants ne peuvent pas survivre à l’intérieur de la première paroi et doivent être placés à l’extérieur de la barrière, ce qui oblige à recourir à des mesures indirectes et à des inspections physiques après l’arrêt, un processus coûteux et long.
Les expériences d’exposition aux rayons gamma ont montré que la structure atomique des nanorubans reste intacte, tout en produisant une réponse électrique forte et mesurable. Cette découverte suggère que les capteurs à base de GNR pourraient être conçus pour fonctionner plus près du cœur du réacteur que les dispositifs électroniques actuels, réduisant ainsi les arrêts dus aux inspections et à la maintenance, et augmentant le temps de fonctionnement des centrales à fusion.
Il s’agit de la première étude sur la réponse des nanorubans de graphène au rayonnement gamma. Auparavant, les GNRs étaient déjà largement étudiés pour repousser les limites de la technologie des puces au-delà du silicium, en raison de leur taille microscopique et de leur excellente durabilité. Il y a quelques années, des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) du Département de l’Énergie des États-Unis ont ajouté du graphène au cuivre de qualité électrique et ont découvert qu’il réduisait le coefficient de température de la résistance du métal sans diminuer sa conductivité à température ambiante. Le graphène a également été découvert pour améliorer les performances des batteries lithium-ion, en augmentant la densité énergétique et en renforçant les performances cycliques.
Dans l’étude de l’Université de l’Arizona, l’équipe dirigée par Mutlu a synthétisé les nanorubans au niveau moléculaire, puis les a intégrés dans des dispositifs semi-conducteurs courants. Ils ont utilisé une technique de fabrication émergente pour produire des nanorubans d’une largeur d’environ neuf atomes, d’une épaisseur d’un atome et d’une longueur d’environ 45 nanomètres, soit des dizaines de milliers de fois plus fins qu’un cheveu humain. Mutlu explique que ces minuscules nanorubans obéissent à la physique quantique plutôt qu’à la physique classique. En l’absence de rayonnement, le courant circule de manière définie à travers les GNRs. Les mesures des chercheurs montrent que le rayonnement gamma traversant l’air environnant génère des molécules réactives qui modifient les bords des nanorubans sans altérer leur structure globale. À cette échelle, les effets quantiques amplifient l’impact des changements minimes sur la transmission des signaux électriques.
Les chercheurs estiment que ces changements déclenchent un effet quantique appelé localisation d’Anderson (Anderson localization), qui piège les électrons porteurs de courant, réduisant fortement le courant et produisant ainsi un signal mesurable d’exposition aux radiations, pouvant fournir des données plus précises pour la planification de la maintenance des réacteurs.
Les chercheurs de l’Université de l’Arizona collaborent avec des partenaires industriels pour étendre la production de cette technologie clé et acheminer l’électricité de fusion vers le réseau électrique. Les chercheurs estiment également que les capteurs à base de GNR pourraient fournir des données sur l’état de santé des systèmes spatiaux, y compris les satellites de communication, les satellites d’observation de la Terre et les sondes spatiales lointaines, en identifiant les premiers signes d’usure liée aux radiations avant qu’une panne ne survienne, ce qui est essentiel pour maintenir la fiabilité des infrastructures spatiales critiques.
Mutlu et ses collaborateurs prévoient de tester les mêmes dispositifs à différentes doses de rayonnement et d’explorer des GNRs de différentes tailles. Mutlu estime que la méthode de synthèse utilisée dans l’étude permettra aux chercheurs de concevoir des matériaux au niveau atomique et moléculaire, en personnalisant de nouveaux nanorubans pour obtenir différentes sensibilités. Ce niveau de contrôle est crucial pour les futurs systèmes spatiaux fonctionnant pendant de longues périodes sous une exposition continue aux radiations, pouvant à la fois soutenir des puces semi-conductrices résistantes aux radiations et des capteurs qui suivent les performances du système au fil du temps.
