Vibrations exotiques dans les nouveaux matériaux
De nouvelles connaissances démontrent l'applicabilité universelle de la carbyne en tant que capteur
Pour concevoir les matériaux du futur, il est important de comprendre comment les atomes individuels à l'intérieur d'un matériau interagissent les uns avec les autres sur le plan de la mécanique quantique. Les états vibratoires entre les chaînes de carbone (carbyne) et les nanotubes, jusqu'ici inexplicables, ont laissé les spécialistes des matériaux perplexes. Des chercheurs autrichiens, italiens, français, chinois et japonais, dirigés par l'université de Vienne, sont parvenus à élucider ce phénomène à l'aide de la spectroscopie Raman, de modèles théoriques innovants et de l'apprentissage automatique. Les résultats publiés dans "Nature Communications" montrent l'applicabilité universelle de la carbyne en tant que capteur en raison de sa sensibilité aux influences extérieures.
Pour concevoir les matériaux du futur, il est important de comprendre comment la matière interagit à l'échelle atomique. Ces effets mécaniques quantiques déterminent toutes les propriétés macroscopiques de la matière, telles que les propriétés électriques, magnétiques, optiques ou élastiques. Dans les expériences, les scientifiques utilisent la spectroscopie Raman, dans laquelle la lumière interagit avec la matière, pour déterminer les états propres vibrationnels des noyaux atomiques des échantillons.
Il y a neuf ans, le groupe de recherche de Thomas Pichler à l'université de Vienne a réussi pour la première fois à stabiliser la carbyne, une chaîne linéaire d'atomes de carbone, dans des nanotubes de carbone, à la grande surprise de la communauté scientifique. La carbyne, qui n'a été trouvée jusqu'à présent que dans un tube, possède des propriétés électroniques contrôlables, essentielles pour la technologie des semi-conducteurs, et pourrait être le matériau connu le plus solide en termes de résistance à la traction. Lors de leur expérience, l'équipe a observé un état inattendu du système, qui ne correspondait pas au modèle explicatif commun et qui a été totalement incompris à l'époque.
Les chercheurs ont maintenant examiné de plus près cet état inexplicable du système. À l'aide d'un modèle théorique innovant, qui n'a pu être appliqué que grâce à des percées récentes dans le domaine de l'apprentissage automatique, ils ont pu trouver une explication aux interactions inédites entre la chaîne et le nanotube observées en laboratoire, qui semblent à première vue paradoxales. "Bien que la chaîne et le nanotube soient isolés électroniquement et n'échangent donc pas d'électrons, ils sont soumis à un couplage fort et inattendu entre les vibrations des deux nanostructures", explique Emil Parth, de l'université de Vienne, auteur principal de l'étude publiée dans Nature Communications. En d'autres termes, la carbyne et le nanotube se parlent électroniquement, tout en étant isolés électroniquement au sens classique du terme. Ce couplage mécanique quantique des vibrations est généralement négligeable, mais dans ce cas particulier, il est exceptionnellement fort en raison des propriétés électroniques intrinsèques et de l'instabilité structurelle de la chaîne.
C'est ce qui rend la chaîne si intéressante, car elle réagit fortement aux influences extérieures. Elle interagit donc fortement avec le nanotube qui l'entoure. La nouvelle étude montre que cette interaction n'est étonnamment pas unilatérale, car la carbyne modifie également les propriétés du nanotube, mais d'une manière différente de ce que l'on pensait jusqu'à présent. "La sensibilité de la carbyne aux influences extérieures est cruciale pour son application potentielle dans les matériaux et dispositifs futurs en tant que capteur optique sans contact à l'échelle nanométrique, par exemple en tant que capteur de température local pour les mesures de transport de chaleur", conclut Thomas Pichler, chef du groupe de recherche à l'université de Vienne.
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Publication originale
Emil Parth, Andrea Corradini, Weili Cui, Davide Romanin, Christin Schuster, Clara Freytag, Lei Shi, Kazuhiro Yanagi, Matteo Calandra, Thomas Pichler; "Anharmonic effects control interaction of carbyne confined in carbon nanotubes shaping their vibrational properties"; Nature Communications, Volume 16, 2025-5-26
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