locked59 Intranet

 

 

Nanocarbon Design

C. Ewels, J.-L. Duvail, M. Bayle, B. Humbert

La conception de nouvelles familles de matériaux nanocarbonés, depuis les approches « bottom-up » (notamment pour les nanoanneaux de carbone, les CPPs, et les azafullerènes), jusqu'à la modification chimique et structurelle des nanocarbones existants, comme le remplissage sélectif des cavités de nanotubes de carbone effondrés. Nous nous intéressons également aux processus de formation des nanostructures de carbone (comme les fullerènes dans l'espace), et aux façons dont différentes nanostructures peuvent être modifiées (par exemple les noyaux de dislocation).

En plus des nanocarbures eux-mêmes, nous innovons dans les façons dont les nanocarbures peuvent être utilisés comme templates, créant des phases matérielles jusqu'alors inconnues grâce au nanoconfinement (par exemple à l'intérieur des nanotubes de carbone).

Nous nous appuyons fortement sur des outils de modélisation informatique et sur des collaborations locales, nationales et internationales.

nanocarbon
Autres personnes impliquées : 
A. Impellizzeri (), Y. Tanuma ().
 Mots-clés : 
Nanocarbon, Fullerène, CPP, Nanotube, Nanoconfinement.

  Projets :

Le projet « EdgeFiller » propose une méthode innovante pour créer des nanorubans de bi-graphènes hautement fonctionnels et modulables en tant que solution alternative supérieure aux nanorubans actuellement pressentis comme nanocomposants d'une électronique future. Ces nouveaux nanorubans seront préparés à partir de nanotubes de carbone monoparois SWCNT, extraits de l’extérieur de grands nanotubes multiparois par voie chimique. Ils s’aplatissent spontanément à cause de leur grand diamètre, et sont dits «dogbones » (os de chien), en référence à l'aspect transversal donné par les cavités tubulaires nanométriques créées sur chaque bord par l'aplatissement central. La modularité fonctionnelle de ce nouveau système hybride entre graphène et SWCNT provient de ces cavités de bord qui seront remplies par des espèces telles que des sels ( KI,…), des molécules (C60 , TCNQ, TTF, ... ) ou des métaux. Il en résulte un dopage (charge et/ou spin) des rubans sans introduire de défauts ou de centres de diffusion électronique, problème critique pour l’exploitation comme nanocomposant du graphène ou du SWCNT pris séparément. Ceci doit permettre une grande palette de comportements électriques et optoélectroniques.

 

Intense Raman D Band without Disorder in Flattened Carbon Nanotubes.
E. Picheau, A. Impellizzeri, D. Rybkovskiy, M. Bayle, J.-Y. Mevellec, F. Hof, H. Saadaoui, L. Noé, A. Cefas Torres Dias, J.-L. Duvail, M. Monthioux, B. Humbert, P. Puech, C. P. Ewels, and A. Pénicaud, ACS Nano 15 (1), 596-603 (2021)

Stacking- and chirality-dependent collapse of single-walled carbon nanotubes: A large-scale density-functional study
A. Impellizzeri, P. Briddon, C. P. Ewels, Phys. Rev. B 100 (11) 115410 (2019)

Polyiodide structures in thin single-walled carbon nanotubes: A large-scale density-functional study
D. V. Rybkovskiy, A. Impellizzeri, E. Obractsova, C. P. Ewels*
Carbon, 142, 123-130 (2018)


Même si les nanotubes de carbone possèdent un énorme potentiel pour révolutionner plusieurs champs scientifiques au cours du 21e siècle, leurs applications dans le domaine nanoélectronique sont bloquées depuis deux décennies. Il est en effet impossible à ce jour de produire des tubes de diamètre et de structure électronique bien contrôlés. Dans le PSR NEWTUBE nous proposons une approche en rupture pour résoudre ce problème. Elle vise à utiliser une stratégie innovante «bottom-up» qui permettra de produire une nouvelle famille de matériaux de type nanotube. Par analogie aux polymères conjugués, nous proposons de relier ensemble de petits anneaux de nanocarbone (naonocerceaux ou cycloparaphénylènes) par un procédé de polymérisation contrôlé (templated polymerization). Cette approche permettra ainsi de créer nouvelle famille de nanotubes composée de chaînes de nano-anneaux connectés. Ce projet de modélisation s'appuie sur des expertises complémentaires en nanomatériaux des composés carbonés (IMN) et en modélisation moléculaire organique (CEISAM), pour concevoir in-silico ces nouveaux nanomatériaux. Ils représentent une toute nouvelle classe de matériaux dont le comportement pourra être contrôlé à l'aide d'outils développés pour la chimie de synthèse. Grâce aux outils de la simulation, nous prédirons leurs propriétés électroniques et optiques et pourrons ainsi guider nos collègues expérimentateurs vers les systèmes les plus prometteurs.

  •  PHC Proteus 2021 (CPP-Fulleradicals) (2021-2022)

Un handicap majeur de l'exploitation des radicaux est leur instabilité inhérente. Dans le radical paramagnétique azafullerényle C59N., l'électron non apparié est fortement localisé à côté de l'atome d'azote, ce qui induit une dimérisation en bis(azafullerène) diamagnétique, (C59N)2. Nous avons développé une approche innovante de protection contre les radicaux basée sur la complexation supramoléculaire, en exploitant la protection offerte par une nanobande de [10]cycloparaphénylène ([10]CPP) encerclant le radical C59N. La génération de radicaux photo-induits est multipliée par un facteur de 300. Le signal EPR montrant la scission hyperfine 14N caractéristique du C59N. [10]CPP a été tracé même après plusieurs semaines, ce qui correspond à une augmentation de la durée de vie de >108. L'approche proposée peut être généralisée en ajustant le diamètre des nanobelts utilisés, ce qui ouvre de nouvelles voies pour la conception et l'exploitation de fullerènes radicaux.

Nous utiliserons la [10]CPP avec différentes espèces d'azafullerènes pour obtenir l'assemblage et la stabilisation radicale souhaités, en ciblant les qubits, les aimants organiques et les supraconducteurs. Nous avons l'intention d'ouvrir de nouvelles voies en matière de physique, grâce à la possibilité d'adapter des états radicaux localisés ou délocalisés. Notre approche permet de fabriquer des aimants organiques et des supraconducteurs sur mesure, et ouvre de nouvelles perspectives physiques au-delà de la physique conventionnelle du fullerène, qui émerge de l'entrelacement d'états localisés et étendus. L'objectif de ce projet de collaboration est d'étudier ces états localisés et étendus dans divers assemblages du point de vue théorique (calculs de TFD effectués à l'IMN) et expérimental (techniques de résonance magnétique à l'IJS).

 

Long-lived azafullerenyl radical stabilized by supramolecular shielding with a [10]cycloparaphenylene
A. Stergiou, J. Rio, J. H. Griwatz, D. Arcon, H. A. Wegner, C. P. Ewels, N. Tagmatarchis
Angewandte Chimie International Edition, 58 (49), 17745-17750 (2019)
ChemistryViews magazine article and YouTube video on this work.

Electronic communication between two [10]cycloparaphenylenes and bisazafullerene (C59N)2 induced by cooperative complexation
J. Rio, S. Beeck, G. Rotas, S. Ahles, D. Jacquemin, N. Tagmatarchis, C. Ewels, H. A. Wegner
Angewandte Chimie International Edition, 57 (23), 6930-6934 (2018)
and in German, Angewandte Chemie 130 (23), 7046-7050 (2018)


  •  CNRS Momentum (F.Hof CRPP, 2018-2020)

Le projet, mené en collaboration avec le CRPP de Bordeaux, développe une toute nouvelle façon d'utiliser les processus d'intercalation du graphite pour produire des couches de graphène chargées en solution. Ces couches seront stabilisées dans un milieu organique sous exclusion d'oxygène/eau (C. Valles, et al., J. Am. Chem. Soc. 2008), et peuvent servir de plateforme chimique pour greffer des nanoparticules métalliques sur le cadre de carbone, (F. Hof et al., Chem Eur. J., 2018). Les matériaux composites connexes se sont avérés être d'excellents électrocatalyseurs (F. Hof et al., Chem Eur. J. 2017).


 Collaborations:

Giessen, Germany – Hermann Wegner
Athens, Greece – Nikos Tagmatarchis
Ljubljana, Slovenie – Denis Arcon
CEMES Toulouse – Marc Monthious
CRPP Bordeaux – Alain Penicaud, Ferdinand Hof
CEISAM Nantes – Denis Jacquemin
Loughborough, UK - Kenny Jolley
Newcastle, UK – Patrick Briddon
Moscow – Dmitry Rybovskiiy
Toyo University, Kawagoe - Toru Maekawa
(et d'autres)

 

Downloadhttp://bigtheme.net/joomla Joomla Templates