Piégées dans des espaces réduits

N° 306 - Publié le 6 février 2013
© AZIZ GHOUFI - IPR
Cette image a été obtenue par simple simulation numérique : elle représente le tube de silice vide. Le silicium est en jaune, l'oxygène en rouge et l'hydrogène en blanc.

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Des physiciens découvrent de nouvelles propriétés générées par le confinement de molécules dans des nanotubes.

Les tubes à essai de Denis Morineau ne s’achètent pas dans le premier magasin venu. Il les fabrique lui-même avec de la poudre de silice (lire encadré ci-dessous), car ses tubes ont une particularité : ils mesurent 2 à 50 nanomètres de diamètre (10-9 m) ! Rien d’étonnant puisque nous sommes dans le département Matériaux et nanosciences de l’Institut de physique de Rennes (IPR). « Notre but est de réaliser des effets de confinement, c’est-à-dire de remplir nos nanotubes avec des matériaux organiques ou des liquides classiques, pour voir comment ils se comportent dans ces conditions. Nous ne manipulons donc pas de nanoparticules. Chez nous ce qui est nano, c’est le trou ! »

De l’eau qui fond à -  60 °C

Les surprises, elles, sont de taille : les chercheurs ont, par exemple, mesuré le point de fusion de l’eau à - 60 °C ! Alors que nous avons tous appris que les icebergs, tout comme la glace pilée, fondent à 0 °C. Les propriétés physiques des matériaux ne dépendent normalement pas de leur taille... jusqu’à un certain point. « On commence à observer des changements quand la mobilité des molécules est affectée par la taille du tube, c’est-à-dire quand on se rapproche de la taille des molécules, poursuit le chercheur. Un peu comme dans le métro aux heures d’affluence. Quand les couloirs sont bondés, les trajets des personnes sont plus complexes. » C’est ainsi qu’ils ont aussi observé que, dans les tubes de 3 nm de diamètre, deux liquides normalement miscibles finissent par s’organiser (l’un forme une couronne qui entoure le deuxième) ; ou encore que, empilées comme des assiettes, des molécules en forme de disque développent des propriétés de transport électronique très intéressantes. « Or, il s’agit de molécules organiques qui sont d’ordinaire assez peu conductrices, précise Denis Morineau. Les empilements obtenus ayant la forme de nanofils, ils pourraient, par exemple, être utilisés à la place des semi-conducteurs comme le silicium pour créer des films souples pour ce que l’on appelle déjà l’électronique plastique. »

Des expériences réelles et numériques

Denis Morineau et ses collègues Ronan Lefort et Aziz Ghoufi ne travaillent pas sur les applications. Ils s’en tiennent à l’observation et la compréhension des phénomènes nouveaux. Pour cela ils utilisent différentes techniques. Les quantités de nanotubes présents dans l’échantillon étant considérables (1019 par gramme de poudre), des techniques non spécifiques aux nanosciences (RMN, spectroscopie) permettent d’avoir une première idée de la mobilité et de l’organisation des molécules. Dans un deuxième temps, les grands équipements comme les réacteurs nucléaires de Saclay ou de Grenoble leur donnent des informations avec une meilleure résolution : à l’échelle du nanomètre et de la nanoseconde ! « Enfin, un de nos collègues réalise des simulations moléculaires, des expériences numériques en quelque sorte, qui complètent bien les autres observations. » Ces trois approches, et aussi la maîtrise de la fabrication des nanotubes, confèrent à l’équipe rennaise une vision globale qui la différencie des autres laboratoires du réseau européen sur le confinement. À suivre : l’étude de l’empilement des molécules en forme de disque qui est toujours dans les nanotuyaux !

La nature comme modèle

Pour fabriquer leurs tubes minuscules, les chercheurs s’appuient sur les capacités d’auto-assemblage de molécules organiques. Celles qu’utilise Denis Morineau ressemblent à du savon. En présence d’eau, elles se regroupent en sphères, ou micelles : leur tête hydrophile vers l’extérieur et la queue hydrophobe tournée vers l’intérieur. Ces sphères finissent par fusionner et prendre des formes allongées, qui sont alors recouvertes de silice. C’est l’étape de moulage. La matière organique de départ est ensuite éliminée pour ne laisser que le moule de silice : le tube est prêt ! Les chercheurs peuvent en faire varier le diamètre en jouant sur la longueur de la queue hydrophobe des molécules organiques.

Nathalie Blanc

Denis Morineau Tél. 02 23 23 69 84
denis.morineau [at] univ-rennes1.fr (denis[dot]morineau[at]univ-rennes1[dot]fr)

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