Accueil > Français > A noter > Faits marquants > Archives 2008

Dynamique des fullerènes C60 dans les nanotubes de carbone : « Et pourtant, ils tournent... »


Dynamique des fullerènes C60 dans les nanotubes de carbone : « Et pourtant, ils tournent... »

 
J. Cambedouzou, M. Chorro, P. Launois ; collaboration avec S. Rols (ILL, Grenoble)

 

Les fullerènes C60, découverts en 1985, forment à l’état brut des cristaux plastiques. Chaque C60 tourne quasiment librement autour de son centre de gravité tant que la température est supérieure à 260K (-13°C). En dessous de cette température, les C60 perdent leur mouvement de rotation isotrope et on parle de transition dynamique désordre/ordre. Depuis 1998, il est possible d’insérer des C60 à l’intérieur de nanotubes de carbone monofeuillets (SWNT) pour former des structures qu’on appelle couramment « peapods » à cause de leur ressemblance avec des cosses de petits pois. Les C60 y forment de longues chaînes unidimensionnelles (1D) qui ne sont observées nulle part ailleurs. L’étude de cette configuration originale présente un fort intérêt fondamental car elle pourrait posséder des propriétés physiques inédites.

 

Nous nous sommes intéressés à la dynamique de ces phases 1D confinées du C60 et les avons étudiées par diffusion inélastique des neutrons (IN4C, Institut Laue Langevin). Cette technique permet de sonder les vibrations et les mouvements de diffusion moléculaires dans des échantillons de taille macroscopique. Nous avons ainsi pu montrer que les molécules de C60 confinées à l’intérieur des SWNT conservaient une mobilité rotationnelle jusqu’à des températures inférieures à 200K (-73°C), c’est-à-dire à bien plus basse température que dans la phase brute du C60. Ce résultat peut paraître surprenant, car on aurait pu s’attendre à ce que le confinement géométrique exercé par la paroi du nanotube sur les C60 réduise la mobilité de ces derniers. Et pourtant, nos expériences prouvent qu’au contraire, les C60 conservent une mobilité supérieure à basse température dans les peapods…

 

Une explication possible de ce paradoxe apparent se trouve dans le fait que la paroi du SWNT oblige les C60 à s’aligner le long de l’axe du tube sur une chaîne 1D, mais qu’elle n’impose néanmoins pas de contrainte forte sur l’orientation relative des C60 par rapport au tube. L’unidimensionnalité de la chaîne de C60 permet de faire l’analogie avec la chaîne d’Ising 1D, cas d’école pour les physiciens, dans laquelle aucune transition de phase ne peut survenir à température finie. Bien sûr, ce modèle ne tient plus dès lors que la température baisse suffisamment pour que les C60 deviennent sensibles aux détails du potentiel d’interaction avec le tube. La transition dynamique survient alors, mais à une température beaucoup plus basse que dans la phase brute du C60.

 

Figure : a) Fonction de diffusion S(Q,ω) de l’échantillon de peapods à 280K. b) Susceptibilité de l’échantillon en fonction de la température pour Q=3.4 Å-1. La non-superposition des courbes mesurées à 200K et 100K montre une contribution d’origine diffusive à 200K.

 

Référence :
S. Rols, J. Cambedouzou, M. Chorro, H. Schober, V. Agafonov, P. Launois, V. Davydov, A.V. Rakhmanina, H. Kataura, J.L. Sauvajol, Phys. Rev. Lett. 101, 065507 (2008)