Oignon de carbone

Oignon de fullerène à deux couches C₂₀@C₈₀. Le fullerène C₂₀ est montré en jaune à l'intérieur du fullerène C₈₀ en gris.

Les oignons de carbone sont des nanoparticules de carbone constituées de couches concentriques de molécules de fullerène. Le nombre de couches est variable, les plus grands oignons de carbone obtenus en possèdent presque 100^[1].

Historique

Suite à la découverte initiale des fullerènes, Kroto et MacKay^[2] envisagèrent de façon théorique la formation de fullerènes multicouches (communement appelés « oignons de carbone »). L'existence de telles structures demande une succession de couches présentant une même symétrie et séparées d'une distance proche de celle existant entre les plans du graphite.

En 1992, au cours d'une étude des structures formées à l'aide d'un mélange de nanotubes, de nanoparticules et de carbone amorphe, Ugarte^[3] observe par HRTEM une évolution très surprenante : en utilisant un faisceau électronique de très forte densité, une transformation morphologique des nanotubes et des nanoparticules intervient progressivement jusqu'à la formation de particules quasi-sphériques.

La présence d'oignons de carbone dans l'espace a été supposée pour expliquer le spectre d'absorption de la poussière interstellaire à 217,5 nm^[4] et confirmée en 2004^[5].

Propriétés

Pour pouvoir former un oignon de carbone stable, la distance entre deux couches successives de fullerène doit être sensiblement égale à la distance entre les plans [001] du graphite, soit environ 3,4 Å. C'est le cas des familles de fullerènes formés de 60n² ou 20n² de carbone où n est un entier naturel, comme par exemple l'oignon à trois couches (n=3) basé sur C₆₀, de formule C₆₀@C₂₄₀@C₅₄₀.

Zwanger et Banhart ont montré par des études de microscopie électronique à haute résolution que l'orientation relative des couches est aléatoire et la structure des oignons de carbone est désordonnée^[6].

Sous certaines conditions, lorsque les oignons sont portés à une température de l'ordre de 700 °C et bombardés par des électrons, les couches internes subissent un réarrangement structurel et se transforment en diamant^[7]. En effet, dans ces conditions les oignons se contractent et la distance entre deux couches successives change de façon graduelle : le rapprochement des couches externes est relativement faible, alors que la distance entre deux couches internes peut se réduire jusqu'à 2,2 Å, donnant lieu à de très hautes pressions dans le cœur de l'oignon. À l'inverse, des nanoparticules de diamant isolées recuites se transforment en oignons de carbone sphériques^[8].

Synthèse

Le mode de croissance des oignons de carbone est mal connu mais ils sont maintenant fabriqués par différentes méthodes :

• bombardement électronique ;
• chauffage de suie de carbone ;
• implantation d'ions de carbone dans des substrats polycrystallins de cuivre ou d'argent portés à haute température.

Cette dernière méthode semble être la plus prometteuse puisqu'elle permet d'obtenir des films minces d'oignons de carbone avec un certain contrôle de la taille et une distribution de la forme relativement étroite.

Notes et références

1. ↑ (en) S. Iglesias-Groth, A. Ruiz, J. Bretón et J.M. Gomez Llorente, « A theoretical model of the static polarizability of carbon buckyonions », dans Journal of Chemical Physics, vol. 118, n^o 15, 2003, p. 7103-7111 [lien DOI] 
2. ↑ (en) H.W. Kroto et K. McKay, « The formation of quasi-icosahedral spiral shell carbon particles », dans Nature, vol. 331, janvier 1988, p. 328-331 [lien DOI] 
3. ↑ (en) Daniel Ugarte, « Curling and closure of graphitic networks under electron-beam irradiation », dans Nature, vol. 359, octobre 1992, p. 707-709 [lien DOI] 
4. ↑ (en) A.A. Lucas, L. Henrard et Ph. Lambin, « Computation of the ultraviolet absorption and electron inelastic scattering cross section of multishell fullerenes », dans Physical Review B, vol. 49, n^o 4, 1994, p. 2888-2896 [lien DOI] 
5. ↑ (en) Satoshi Tomita, Minoru Fujii et Shinji Hayashi, « Defective Carbon Onions in Interstellar Space as the Origin of the Optical Extinction Bump at 217.5 Nanometers », dans Astrophysical Journal, vol. 609, 2004, p. 220-224 [lien DOI] 
6. ↑ (en) Michael S. Zwanger et Florian Banhart, « The structure of concentric-shell carbon onions as determined by high-resolution electron microscopy », dans Philosophical Magazine B, vol. 72, n^o 1, 1995, p. 149-157 [lien DOI] 
7. ↑ (en) F. Banhart et P.M. Ajayan, « Carbon onions as nanoscopic pressure cells for diamond formation », dans Nature, vol. 382, août 1996, p. 433-435 [lien DOI] 
8. ↑ (en) Satoshi Tomita, Andrzej Burian, John C. Dore, David LeBolloch, Minoru Fujii et Shinji Hayashi, « Diamond nanoparticles to carbon onions transformation: X-ray diffraction studies », dans Carbon, vol. 40, n^o 9, 2002, p. 1469-1474 [lien DOI]