CE09 - Nanomatériaux et nanotechnologies pour les produits du futur

Couplage entre transports ionique et électronique dans les nanotubes de carbone mono-feuillets – IONESCO

Résumé de soumission

Coupler efficacement des systèmes électroniques et biologiques requiert une interface capable d’effectuer la conversion entre signaux électroniques en signaux ioniques (ou chimiques), idéalement avec une grande amplitude et à grande vitesse. Malheureusement, les performances et les fonctionnalités des dispositifs électro-ioniques actuels sont bien inférieures à celles de leurs équivalents électroniques et biologiques (i.e. transistors et synapses). Des domaines de recherche émergents comme la bioélectronique visent à développer un contrôle et une détection sophistiqués du déplacement des ions et des molécules, afin d’enregistrer et de moduler des processus biologiques ou d’effectuer des opérations logiques reproduisant le fonctionnement du cerveau. Notre projet vise à explorer le potentiel des nanotubes de carbone monofeuillets (SWCNTs) pour 1) activement contrôler et détecter le déplacement d’espèces ioniques par un couplage d’une ampleur sans précédent entre ions (dans le canal du SWCNT) et électrons (dans la paroi du SWCNT), et 2) explorer de nouveaux phénomènes de transport spécifiques du régime subcontinuum tel que l’évaporation capillaire ionique (ICE) et les blocages de Coulomb ioniques (ICBs). Notre projet rassemble des experts aux compétences complémentaires et reconnues en croissance et caractérisation de SWCNTs, fabrication et étude de dispositifs ioniques et électroniques à base de SWCNTs, modélisation théorique et simulation numérique du transport ionique dans les nanocanaux. Tous les partenaires ont collaboré avec succès par le passé, notamment dans le cadre du projet ANR TRANSION (2012-2016).
METHODOLOGIE. Pour atteindre les objectifs du projet, notre méthodologie combine : 1) Deux types de dispositifs électro-nanofluidiques autorisant le transport d’ions et d’électrons dans un unique SWCNT ou dans plusieurs SWCNTs en parallèle (dispositifs planaires pour leur robustesse, dispositifs intégrant une fine membrane pour l’étude de nanotubes courts) ; 2) Simulations de dynamique moléculaire optimisées à l’aide de calculs quantiques du transport ionique en fonction de la charge de surface et des fonctions en bord de tube; 3) Modélisation (à la fois numérique et analytique) utilisant une approche variationnelle de la théorie des champs pour calculer la concentration ionique et le transport ionique.
PROGRAMME. D’abord, nous contrôlerons les fonctions chimiques aux extrémités du nanotube pour optimiser leur sélectivité pour des ions spécifiques (objectif 1). Pour cela, nous combinerons mesures expérimentales et simulations du transport ionique dans des nanotubes avec différentes fonctions à leurs extrémités, et développement de modèles théoriques de régulation par barrière d’énergie pour reproduire les caractéristiques expérimentales. Ensuite, nous contrôlerons de manière active la charge électronique d’un SWCNT métallique et étudierons l’effet sur le transport d’ions dans son canal interne (objectif 2). Du point de vue applicatif, nous étudierons les performances (modulation, vitesse) de ce transistor ionique ultime dont le canal ionique est totalement entouré et couplé de manière optimale avec une grille électronique. Par des expériences et des simulations, nous rechercherons i) les fluctuations stochastiques de conductance ionique prédites pour l’ICE, et ii) les oscillations périodiques de conductance avec la tension de grille constituant la signature définitive des ICBs. Enfin, nous mesurerons les espèces ioniques et les charges de surface dans le canal interne d’un SWCNT semi-conducteur en l’utilisant comme un capteur électronique de type FET (objectif 3). Pour fortement augmenter la gamme et la sensibilité de détection, nous testerons des types de grilles connus pour leur grande efficacité de modulation (grille solide type top-gate et grille électrolytique liquide). Nous modéliserons aussi le couplage entre les ions dans le nanotube et l’électrolyte à l’extérieur.

Coordinateur du projet

Monsieur Francois HENN (Laboratoire Charles Coulomb)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CNRS-LPT Centre National de la Recherche Sciecntifique, LABORATOIRE DE PHYSIQUE THEORIQUE
LNIT LABORATOIRE DE NANOMÉDECINE, IMAGERIE, THÉRAPEUTIQUE
L2C Laboratoire Charles Coulomb

Aide de l'ANR 408 370 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2019 - 36 Mois

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