Conférence Graphene Brazil 2010
La conférence « Graphene Brazil 2010 » aura lieu du 14 au 17 décembre 2010 à Belo Horizonte, Minas Gerais, Brésil. Le but de cette conférence est de regrouper les leaders de la science du graphène afin qu’ils évaluent les tendances actuelles et futures de ce domaine en plein essor. La conférence portera sur les progrès réalisés au frontières de la recherche fondamentale et appliquée. Elle permettra également aux participants d’échanger des idées et les résultats de leurs derniers travaux dans une atmosphère informelle.
Des nez électroniques nanométriques sont à l’horizon
Imaginez un appareil de la taille d’un grain de sable qui est capable d’analyser l’environnement autour de lui, de reconnaître sa composition chimique, et d’en faire rapport à un système de surveillance. C’est le concept des nez électroniques à l’échelle nanométrique – des dispositifs électroniques miniatures qui imitent le système olfactif des mammifères et des insectes.
Une équipe internationale de chercheurs a franchi une nouvelle étape vers cette vision et a démontré un nouveau type de capteur reproduisant notre système olfactif. La différence entre leur capteur et ceux existants est l’élément actif de ce nouveau dispositif : un nanofil individuel placé sur une nanoceinture à base de dioxyde d’étain. La diversité nécessaire des éléments sensibles est encodée dans la morphologie de la nanoceinture via des variations longitudinales de sa largeur réalisées au cours de sa croissance ainsi que par la fonctionnalisation de certains segments à l’aide d’un catalyseur au palladium. «Notre approche démontre le potentiel de combiner les protocoles de fabrication « bottom-up » des nanofils avec les méthodes de microfabrication simples des réseaux de détection. En principe, ce dispositif pourrait être réduit à la taille de quelques micromètres et devenir ainsi le plus petit instrument d’analyse», raconte Andrei Kolmakov, professeur agrégé au département de physique de laSouthern Illinois University à Carbondale.
Kolmakov et une équipe de chercheurs du Karlsruhe Institute of Technology, Rensselaer Polytechnic Institute, Sincrotrone Trieste ainsi que le premier auteur Victor V. Sysoev de Saratov State Technical University, ont publié leurs résultats dans ACS Nano. Probablement le nez électronique le plus simple mais pourtant pleinement opérationnel, ce dispositif est constitué d’un oxyde métallique monocristallin en forme de nanoceinture à géométrie quasi unidimensionnelle. La nanoceinture a été indexé avec un certain nombre d’électrodes de platine de manière à ce que chaque segment de la nanoceinture délimité par deux électrodes définisse un récepteur individuel pour la détection élémentaire des gaz.
Stockage de l’hydrogène par chimie nanoconfinée
Le principal obstacle à bâtir une économie basée sur l’hydrogène – cette vision d’une société tant vantée où le transporteur principal de l’énergie est l’hydrogène – est le manque de systèmes de stockage de l’hydrogène efficaces. Les recherches menées par la communauté scientifique dans le stockage de l’hydrogène sont orientées vers les applications mobiles. L’hydrogène, dans les conditions ambiantes, est un gaz et prend beaucoup d’espace. Pour les installations de stockage fixes, alors que l’espace disponible n’est pas un problème, le gaz d’hydrogène peut être conservé dans de grands réservoirs à des pressions modérées en utilisant les technologies déjà connues. Toutefois, afin d’utiliser l’hydrogène pour des applications mobiles (la production et la vente de voitures fonctionnant à l’hydrogène à grande échelle par exemple), ce gaz doit être entreposé dans un format compact, sûr, efficace et bon marché.
En 2009, le Département de l’Energie des États-Unis d’Amérique (DOE) a proposé des objectifs pour le stockage de l’hydrogène dans les systèmes mobiles qui sont largement reconnus. Jusqu’à présent, les chercheurs n’ont pas été en mesure de démontrer avec succès un matériau capable de simultanément satisfaire à toutes les exigences et critères énoncés par le DOE.
Une équipe de chercheurs européens a mis au point un nouveau concept de stockage de l’hydrogène utilisant des réactions chimiques nanoconfinées et réversibles. Ils montrent que l’hydrure nanoconfiné a un potentiel important de stockage de l’hydrogène. Un groupe de recherche au Interdisciplinary Nanoscience Center (iNANO) à l’Université du Danemark, mené par Flemming Besenbacher et Torben R. Jensen, se concentre sur l’utilisation de matériaux nanoporeux comme des échafaudages pour la préparation et le confinement des hydrures métalliques de taille nanométrique. Cette approche « bottom-up » limite la taille des particules de l’hydrure à la taille moyenne des pores du matériau d’échafaudage, ce qui permet la production directe de particules plus petites que celles obtenues mécaniquement. En outre, la croissance des particules et leur agglomération peuvent être entravées par le cloisonnement des nanoparticules dans le matériel d’échafaudage. Le nanoconfinement peut également servir de médiateur des propriétés améliorées de re-hydrogénation des hydrures métalliques complexes.
Remplacement du silicium par le graphène pour les nanocircuits
Les scientifiques ont fait une percée vers la création de nanocircuits de graphène, largement considérés comme le candidat le plus prometteur pour remplacer le silicium comme élément de base des transistors. Ils ont mis au point un processus simple et rapide basé sur la nanolithographie thermochimique (TCNL) pour créer des nanofils. Les propriétés électroniques de l’oxyde de graphène à l’échelle nanométrique sont modifiées par ce procédé et permet de passer d’un matériau isolant vers un matériau conducteur.
La technique fonctionne avec de multiples formes de graphène et est en passe de devenir une découverte importante pour le développement de l’électronique du graphène. La recherche est publiée dans la revue Science. Les scientifiques qui travaillent avec les nanocircuits sont enthousiastes par rapport au graphène parce que les électrons rencontrent moins de résistance quand ils voyagent le long de ce matériau comparativement au silicium. De plus, les transistors au silicium d’aujourd’hui sont presque aussi petits que permis par les lois de la physique. Le graphène présente aussi un avantage en raison de son épaisseur – c’est une feuille de carbone d’un seul atome d’épaisseur. Bien que la nanoélectronique basée sur le graphène pourrait être plus rapide et consommer moins de puissance que le silicium, on ne savait pas comment produire du graphène nanostructuré sur une méthode reproductible ou évolutive. C’était jusqu’à présent.
Des chercheurs développent un amplificateur de plasmons
Des chercheurs de l’Université de l’Islande, de l’Université de Cologne et de l’Institut Fraunhofer Jena ont démontré une amplification optique positive dans un guide d’onde plasmonique. Les résultats du groupe, publiés dans le journal Nature Photonics, représentent une avancée majeure dans le domaine de la plasmonique. L’amplification optique est la seule stratégie viable pour permettre à la lumière de voyager sur de longues distances lorsqu’elle est confinée dans un mode plasmonique. Atteindre une telle propagation macroscopique des ondes de plasmon de surface est essentielle pour de nombreuses applications de la technologie émergente plasmonique, qui vont de dispositifs de communication compacts au dispositifs de calcul optique en passant par des outils de détection et caractérisation des cellules des particules virales, ou même des molécules uniques.
Un plasmon de surface est une excitation collective impliquant tous les électrons de conductance d’une couche métallique qui se déplacent par rapport aux ions positifs et statiques du métal. Le diagramme illustre ce phénomène. La recherche sur la plasmonique, une branche relativement nouvelle de l’optique, a reçu une augmentation du niveau de l’attention internationale pendant la dernière décennie. Cet intérêt s’explique principalement par le fait que les plasmons de surface, qui se déplacent le long de l’interface entre un métal et un diélectrique, permettent le confinement de l’énergie optique à l’intérieur de volumes nettement plus petits que ceux obtenus à l’aide des structures diélectriques conventionnelles telles que les fibres optiques.
Intrication quantique dans un système biologique réel
L’avenir de l’énergie solaire propre pourrait bien dépendre de la capacité des scientifiques à percer les mystères de la photosynthèse, processus par lequel les plantes vertes transforment la lumière solaire en énergie électrochimique. À cette fin, les chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et de l’Université de Californie (UC) ont observé et caractérisé pour la première fois un phénomène physique critique de la photosynthèse connu sous le nom d’intrication quantique.
Des expériences antérieures menées par Graham Fleming, physico-chimiste, ont souligné que des effets quantiques étaient la clé du phénomène de photosynthèse. Lors de la photosynthèse, les plantes vertes transfèrent l’énergie solaire presque instantanément des complexes collecteurs de lumière aux molécules dans les centres de réaction électrochimique. Une nouvelle équipe de collaboration comprenant Graham Fleming ont identifié l’intrication comme une caractéristique naturelle de ces effets quantiques. Leur travail est publié dans la revue Nature Physics . Lorsque deux particules de taille quantiques, par exemple une paire d’électrons, s’enchevêtrent, toute modification apportée à l’un sera immédiatement répercutée sur l’autre, peu importe à quelle distance ils se retrouvent. Bien que physiquement séparés, les deux particules se comportent comme une seule entité.
Graphene School 2010
L’émergence récente du graphène a généré un enthousiasme dans le monde scientifique en raison des propriétés extraordinaires qui sont attendues de ce nouveau matériau et de ses dérivés. Sa simplicité structurale et chimique fait du graphène un systèmes très pratique pour la recherche fondamentale et pour le développement des sciences à l’échelle nanométrique. D’autre part, les nombreuses variations possibles des nano-objets à base de graphène permettent une variabilité unique des propriétés (transport, mécanique, optique, chimique …) et un nombre anormalement élevé d’applications potentielles, allant de l’énergie à la nanoélectronique en passant par l’industrie chimique. Le graphène est également idéal pour les chimistes qui peuvent modifier ses propriétés par fonctionnalisation, greffage, adsorption et dopage. La recherche sur le graphène exige clairement la participation des scientifiques dans les domaines liés à la physique, la chimie et les sciences des matériaux.
Cet intérêt croissant, déclenchée par les nombreuses applications potentielles du graphène, motive la création d’une école interdisciplinaire sur le graphène. L’école s’adresse aux étudiants du doctorat, post-doctorants ainsi qu’aux jeunes chercheurs en première instance. Graphene School 2010 aura lieu à Cargèse (France) du 12 au 22 octobre 2010 à l’Institut d’Etudes Scientifiques de Cargèse.
Analyse du graphène par interférométrie basée sur l’effet moiré
À l’aide d’une série d’expériences novatrices, des scientifiques aux États-Unis sont parvenus à développer une nouvelle méthode d’analyse de la façon dont les feuilles de graphène sont empilés les unes sur les autres. La technique est également approprié pour déterminer quelles zones du composé sont soumises à la plupart des contraintes, lorsque le matériau est placé à l’intérieur de structures plus complexes. Tout cela peut être déduit à l’aide des motifs de moiré, des motifs d’interférences qui apparaissent à l’échelle atomique lorsque deux couches superposées d’atomes sont décalées légèrement (image courtoisie de la NIST).
L’équipe de recherche qui a mené les travaux est composée de physiciens des Etats-Unis en provenance du National Institutes of Standards and Technology (NIST) et du Georgia Institute of Technology (Georgia Tech). Les experts disent que les motifs de moiré peuvent être également utilisés dans l’analyse de structures composées de plus de deux couches d’atome. Ils ajoutent que l’utilisation de l’interférométrie basée sur l’effet moiré peut aider les scientifiques à déterminer l’orientation de rotation des feuilles de graphène utilisés dans une variété d’applications technologiques. Leur travail est publié dans le journal Physical Review B .
Nouvelles perspectives pour les piles solaires
Les piles solaires les plus performantes, composées d’un matériau semi-conducteur tel que le silicium, ont été élaborées en Suisse au début des années 90. Comme dans le cas des piles électrochimiques conventionnelles, les piles solaires sont constituées d’une cathode, un catalyseur à base de platine, et d’une anode, une couche poreuse formée à partir de nanoparticules de dioxyde de titane et recouverte d’un colorant qui absorbe la lumière du soleil. Un liquide conducteur, l’électrolyte, est placé entre les deux électrodes.
Malgré l’utilisation de matériaux pour la plupart peu coûteux, facile à fabriquer et flexible, la commercialisation à grande échelle de ces piles se confronte à deux obstacles majeurs. L’électrolyte est très corrosif, ce qui entraîne une carence en durabilité. Il est aussi très coloré, empêchant ainsi la lumière de pénétrer efficacement et limitant le photo-voltage à 0,7 volts. De plus, le platine est un matériau cher, non-transparent et rare.
Transport et dissipation de l’énergie dans les dispositifs nanométriques
Comprendre le transport et la dissipation de l’énergie dans les structures nanométriques est d’une grande importance pour la conception des circuits à haut rendement énergétique et des systèmes de conversion d’énergie. C’est aussi un domaine riche en découvertes fondamentales à l’intersection des interactions entre électrons, réseau (phonons) et optique (photons). Un article de synthèse publié dans NanoResearch présente les progrès récents dans la compréhension et la manipulation du transport et de la dissipation d’énergie à l’échelle nanométrique pour les structures à l’état solide.
Certains des plus grands défis de la société moderne sont liés à la consommation d’énergie, sa dissipation ainsi que son gaspillage. Parmi ces défis, les technologies actuelles et futures basées sur les nanomatériaux et les dispositifs à l’échelle nanométriques ont un grand potentiel pour améliorer la conservation de l’énergie, sa conversion ou sa récolte. Un exemple bien connu est celui de l’électronique intégrée, où les questions de dissipation de puissance posent depuis tout récemment un défi de taille. La dissipation de puissance limite les performances de l’électronique, du dispositif de poche (~ 10-3 W) jusqu’aux centres de données massifs (~ 109 W).