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Petits pois tout carbone : des effets différents selon la température


Petits pois tout carbone : des effets différents selon la température

Que se passe-t-il si l’on met des boules dans un tube ? Comment s’empilent-elles ? Comment bougent-elles ? Le système paraît simple mais des phénomènes complexes peuvent être observés ! Ici, les boules sont des molécules de fullerènes, le tube est un nanotube de carbone et par analogie avec des petits pois dans leur cosse, le système est appelé "peapod" en anglais dans la littérature.

 

La découverte en 1998 des "nano-peapods" de carbone -formés de chaînes unidimensionelles (1D) de molécules de fullerènes dans des nanotubes mono-parois, de rayon 0.7nm- a renouvelé la problématique des propriétés thermodynamiques des systèmes 1D, grâce à l’exceptionnelle stabilité des nano-peapods jusqu’à haute température ( 1100 K). Les systèmes 1D ne sont pas que des curiosités de la nature : ils donnent parfois accès à l’essence de la physique dans des systèmes plus complexes. Nous avons étudié la structure et la dynamique de chaînes 1D de fullerènes par diffraction des rayons X et des neutrons, couplées à la diffusion inélastique des neutrons. Ces méthodes d’analyse complémentaires nous ont permis de mettre en évidence trois comportements différents du système, selon la température, comme illustré sur la figure. A haute température, la chaîne 1D se comporte comme un liquide dans lequel les corrélations deviennent d’autant plus anharmoniques que la température augmente. Dans un régime intermédiaire en température, la chaîne 1D se comporte cmme un cristal harmonique. Cela peut paraître surprenant puisque le théorème de van Hove indique qu’un ordre à longue distance ne devrait apparaître qu’à température nulle. Mais le caractère cristallin des chaînes à température non nulle s’explique par leur longueur finie (une chaîne comprend environ 2700 molécules). Enfin, à basse température, nous avons mis en évidence une importante contraction du paramètre de maille de la chaîne, liée à une mise en ordre orientationnelle des molécules, qui tournaient sur elles-mêmes à plus haute température. Les nano-peapods, avec leur diagramme de phases particulièrement riche, sont donc une référence dans la courte liste des systèmes uni-dimensionnels.

 

Evolution, en fonction de la température, de la distance entre fullerènes et de l’intensité quasi-élastique caractéristique de leurs rotations. Trois domaines en températures sont identifiés (en bleu, jaune et vert). La diminution de l’intensité quasi-élastique peut être corrélée à une mise en ordre orientationnelle des molécules. Représentation schématique d’un nano-peapod.

 

Références :

 

C. Bousige, S. Rols, E. Paineau, S. Rouzière, C. Mocuta, B. Verberck, J. P. Wright, H. Kataura and P. Launois,Progressive melting in confined one-dimensional C60 chains, Phys. Rev. B 86, 045446 (2012)

 

S. Rols, C. Bousige, J. Cambedouzou, P. Launois, J.-L. Sauvajol, H. Schober, V.N. Agafonov, V.A. Davydov, J. Ollivier and A. Ivanov, Unravelling low lying phonons and vibrations of carbon nanostructures : The contribution of inelastic and quasi-elastic neutron scattering, European Physical Journal Special Topics 213, 96 (2012)

 

Contacts :

 

Pascale Launois (pascale.launois@u-psud.fr)