Une nouvelle structure de fullerène ouvre la voie à la supraconductivité

L’actualité « Une nouvelle structure de fullerène ouvre la voie à la supraconductivité », relative aux travaux de recherche d'ICube a été mise en ligne sur le site de CNRS Ingénierie dans la rubrique « Actualités scientifiques » le 6 novembre 2023.

Grâce à la physique quantique, des scientifiques ont mis au jour une nouvelle classe de fullerènes composée de carbone et de bore. Ces molécules présentent des propriétés potentiellement révolutionnaires pour la conception de nanomatériaux supraconducteurs. Ces résultats ont été publiés dans la revue Materials Today Communications.

Le fullerène C60 est une nanostructure sphérique, constituée de 60 atomes de carbone organisés en petites cages hexagonales et pentagonales, lui conférant une forme iconique de ballon de football. Cette particule zéro-dimensionnelle, caractérisée en 1985, a valu le prix Nobel de chimie de 1996 à ses découvreurs pour la révolution technique qu’elle a engendrée. Depuis lors, ces fullerènes et leurs dérivés ont suscité l’intérêt de nombreuses générations de chercheurs, qui les ont notamment utilisés pour élaborer de nouveaux polymères, additifs, ou des électro-catalyseurs pour les batteries électriques. Ces molécules présentent en effet des propriétés exceptionnelles de robustesse, de solubilité et de conduction, qui les rendent très attractives pour la pharmacochimie, la nanoélectronique ou le secteur des énergies renouvelables.

Parmi ces passionnés du carbone, on retrouve un consortium international de physiciens¹  auquel appartiennent Yves Rémond du Laboratoire Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (ICube, CNRS/Université de Strasbourg, INSA Strasbourg, ENGEES, INRIA) et Bohayra Mortazavi qui a effectué sa thèse au même endroit. Ils viennent de publier une étude dans le journal Materials Today Communications, sur une nouvelle structure bi-dimensionnelle de fullerène, composée de carbone (C36) et de bore (B40). Leurs travaux se distinguent autant par les résultats obtenus que par la méthode employée pour y parvenir. Les auteurs ont, en effet, utilisé une combinaison de calculs basés sur la mécanique quantique et l’apprentissage automatique pour simuler et évaluer l’équilibre et les propriétés de transport de ces nanoparticules. Plus précisément, ils se sont appuyés sur la théorie fonctionnelle de la densité (DFT), une méthode éprouvée de calcul quantique, pour étudier leur structure électronique. La DFT a confirmé que ces structures sont anisotropes² , très résistantes, qu’elles présentent des propriétés semi-conductrice intéressantes (plus efficaces que le cuivre par exemple), ainsi qu’une faible conductivité thermique (ce qui limite le risque de surchauffe).

Fort de ces découvertes, le consortium ouvre la voie à une nouvelle classe bidimensionnelle de fullerènes, potentiellement révolutionnaire pour la conception de nouveaux nanomatériaux supraconducteurs ultrafins et stables. Leur utilisation pourrait, en outre, bouleverser les domaines du stockage et de la conversion d’énergie, ou améliorer l’efficacité des calculs quantiques de demain.

Représentation d'un réseau bidimensionnel de molécules, constitué d'une succession de cages de fullerènes de bore (B en vert) et de carbone (C en brun). © B. Mortazavi ; Y. Remond

Références :
Hexagonal boron-carbon fullerene heterostructures; Stable two-dimensional semiconductors with remarkable stiffness, low thermal conductivity, and flat bands
Bohayra Mortazavi, Yves Remond, Hongyuan Fang, Timon Rabczuk et Xiaoying Zhuang.
Materials Today Communications, août 2023
https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2023.106856
Article consultable sur la base d’archives ouvertes Arxiv

Contact :
Yves Rémond : Professeur émérite à l'école de chimie, polymères et matériaux (ECPM) de l'université de Strasbourg, Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (ICube, CNRS/Université de Strasbourg, INSA Strasbourg, ENGEES, INRIA)