L’existence théorique de C fullertubes a été suspectée130des molécules composées de 130 atomes de carbone, et non seulement Emmanuel Bourret et ses collaborateurs ont réussi à les isoler, mais ils les ont même photographiés !
Cette prouesse en recherche fondamentale a valu à l’équipe une illustration inspirée de sa découverte, dont le nom scientifique est C130-D5h du matinou publié en couverture du prestigieux Journal de l’American Chemical Society (JACS) en décembre dernier.
Les résultats de cette étude proviennent d’une collaboration interuniversitaire de chercheurs de l’Université Purdue, de Virginia Tech et du Oak Ridge National Laboratory.
Qu’est-ce qu’un fullertube ?
La page de couverture du 6 décembre du « Journal of the American Chemical Society »
Crédit : JACS
Un fullertube est essentiellement un assemblage d’atomes de carbone disposés pour former une cage tubulaire fermée. Ces molécules sont liées aux fullerènes, des structures représentées comme des cages d’hexagones et de pentagones interconnectés ayant une grande variété de tailles et de formes.
Par exemple, un fullerène C60 est composé de 60 atomes de carbone en forme de ballon de football. Ce type de fullerène, très abondant, est relativement petit et sphérique. Par contre, le fullertube C120 est plus long et plus rare, et sa structure prend la forme d’un tube dont les extrémités auraient été fermées par des moitiés de C60.
Particules obtenues à partir de suie
Michel Côté et Emmanuel Bourret
Crédit : Amélie Philibert, Université de Montréal
Le fullertube C130 est d’une forme plus allongée que le C120 et surtout encore plus rare. Pour l’isoler, l’équipe de recherche a généré un arc électrique entre deux électrodes de graphite, provoquant l’apparition de suies contenant les molécules fullerène et fullertube.
La structure électronique de ces molécules a ensuite été calculée à l’aide de la théorie fonctionnelle de la densité.
«Cette théorie, qui utilise les principes de la mécanique quantique, permet d’effectuer des calculs de structures électroniques pour prédire les propriétés d’une molécule à l’aide de règles fondamentales de la physique», explique le professeur Michel Côté, qui supervise les travaux d’Emmanuel Bourret à l’Université Département de physique de l’Université de Montréal.
Une structure qui ressemble à une capsule
Le fullertube C130 mesure un peu moins de deux nanomètres de long sur un nanomètre de large (un nanomètre équivaut à un milliardième de mètre !). Sa structure tubulaire est composée d’atomes disposés en forme d’hexagone, tandis qu’aux deux extrémités ces hexagones sont reliés entre eux par des pentagones, ce qui leur donne leur forme arrondie.
Crédit : JACS
Grâce à un logiciel spécialisé, Emmanuel Bourret a pu décrire la structure des molécules C130: sa structure tubulaire est fermée aux extrémités par deux demi-sphères, lui donnant l’apparence d’une capsule… de taille minuscule. En fait, le fullertube C130 mesure un peu moins de deux nanomètres de long sur un nanomètre de large – un nanomètre équivaut à un milliardième de mètre.
“La structure du tube est essentiellement composée d’atomes disposés en forme d’hexagone, tandis qu’aux deux extrémités ces hexagones sont reliés entre eux par des pentagones, ce qui leur donne leur forme arrondie”, indique Emmanuel Bourret, premier auteur de l’article publié dans JACS.
Quand théorie et approche expérimentale se conjuguent
Un des fullertubes C130 déniché par Emmanuel Bourret
Crédit : JACS
Emmanuel Bourret a commencé à travailler théoriquement sur les fullertubes en 2014 avec son superviseur de l’époque, le professeur Jiri Patera, du Département de mathématiques et de statistique de l’UdeM.
C’est après avoir lu un article publié en 2020 par le professeur Steven Stevenson, de l’université Purdue de Fort Wayne, décrivant la production expérimentale de certains fullertubes, que l’étudiant a commencé à collaborer avec le professeur Stevenson. L’article démontrait l’existence de fullertubes, sans que tous aient été identifiés.
Or, le professeur Patera est malheureusement décédé en janvier 2022. Emmanuel Bourret a donc contacté le professeur Michel Côté, qui devient son directeur de recherche.
«Emmanuel avait un riche bagage en mathématiques abstraites et il ajoute une touche intéressante à mon groupe de recherche axé sur des approches plus computationnelles», ajoute le professeur, qui est également chercheur à l’Institut Courtois de l’UdeM.
Une utilité qui reste à définir
Aperçu des types de fullertubes connus à ce jour
Crédit : JACS
Maintenant qu’il y a un début de preuve de l’existence des fullertubes C130avons-nous une idée d’une application possible de cette découverte ?
« C’est difficile à dire à ce stade, mais on pourrait penser à produire l’hydrogène actuellement obtenu à partir d’un catalyseur au platine et au rubidium – rares et coûteux – et qui pourrait être remplacé par des structures carbonées comme le C.130ce qui permettrait de produire de l’hydrogène de manière plus verte », illustre Michel Côté.
En tout cas, le travail novateur d’Emmanuel Bourret lui a valu, l’année dernière, l’invitation à intervenir comme conférencier au congrès annuel de l’Electrochemical Society (ECS) à Boston. Et l’ECS récidive, en l’invitant cette fois à présider la session sur les fullerènes et les fullertubes lors de son prochain congrès, qui aura lieu du 26 au 30 mai à San Francisco. Gageons que ce n’est que le début d’une aventure fructueuse !
