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Science et technologie du nanotube de carbone

Les nanotubes de carbone sont des tubes de carbone graphitique à échelle moléculaire possédant des propriétés exceptionnelles. Ils font partie des fibres les plus rigides et robustes connues, possèdent des propriétés électroniques remarquables, ainsi que de nombreuses autres caractéristiques uniques. Pour ces raisons, ils ont attiré un grand intérêt académique et industriel, et des milliers d’articles sur les nanotubes sont publiés chaque année. Cependant les applications commerciales ont été assez lentes à se développer, en raison des coûts de production élevés des nanotubes de la meilleure qualité.

Historique

Le grand intérêt pour les nanotubes de carbone est une conséquence directe de la synthèse de buckminsterfullène, de C60 et autres fullerènes en 1985. La découverte du fait que le carbone pourrait former des structures stables et ordonnées autres que le graphite et le diamant a motivé les chercheurs du monde entier à rechercher d’autres nouvelles formes de carbone. La recherche reçut un nouvel élan lorsqu’il fut prouvé en 1990 que le C60 pouvait être fabriqué dans un simple dispositif d’évaporation par arc facilement disponible dans tous les laboratoires. Elle utilisait un évaporateur identique à celui utilisé par le scientifique japonais Sumio Iijima lorsqu’il découvrit les nanotubes de carbone liés au fullerène en 1991. Les tubes contiennent au moins deux couches, souvent beaucoup plus, et de diamètre extérieurs allant d’environ 3 nm à 30 nm. Ils étaient systématiquement fermés à chaque extrémité.

Une micrographie électronique à transmission de certains nanotubes à parois multiples est présentée sur le schéma (gauche). En 1993, une nouvelle classe de nanotubes de carbone fut découverte, ayant une seule couche. Ces nanotubes à paroi unique sont généralement plus étroits que les tubes à multiples parois et possèdent des diamètres de 1 à 2nm, et ont tendance à être courbés plutôt que droits. L’image de droite montre quelques tubes à paroi unique typiques. Il fut rapidement établi que ces nouvelles fibres possédaient une gamme exceptionnelle de propriétés (voir ci-dessous), ce qui déclencha une explosion de la recherche dans le domaine des nanotubes de carbone. Cependant, il est important de noter que les tubes de carbone à échelle nanométrique fabriqués catalytiquement étaient connus depuis de nombreuses années avant la découverte d’Iijima. La raison principale pour laquelle ces premiers tubes ne suscitèrent pas un grand intérêt est qu’ils étaient structurellement plutôt imparfaits, et ne possédaient donc pas de propriétés particulièrement intéressantes. Des recherches récentes se sont concentrées sur l’amélioration de la qualité des nanotubes fabriqués catalytiquement.

Structure

La liaison dans les nanotubes de carbone est sp², et chaque atome est relié à trois voisins comme dans le graphite. Les tubes peuvent donc être considérés comme des feuilles de graphène enroulées (le graphène est une couche individuelle de graphite). Il existe trois manières distinctes par lesquelles une feuille de graphène peut être enroulée dans un tube, comme le montre le schéma ci-dessous.

Les deux premiers d’entre-deux, connus sous le nom de “fauteuil” (en haut à gauche) et “zigzag” (milieu gauche) possèdent un haut degré de symétrie. Les termes “fauteuil” et “zigzag” se rapportent à l’agencement en hexagones autour de la circonférence. La troisième classe de tubes, qui est en pratique la plus courante, est connue sous le nom de chiral, ce qui signifie qu’il peut exister sous deux formes, reliées en miroir. Un exemple de nanotube chiral est montré en bas à gauche.

La structure d’un nanotube peut être spécifiée par un vecteur (n,m), qui définit la manière dont la feuille de graphène est enroulée. Ceci peut être compris en se référant au schéma de

droite. Pour fabriquer un nanotube aux indices (6,3), admettons que la feuille soit enroulée de telle sorte que l’atome (0,0) est super imposé sur celle marquée (6,3). La figure montre que m = 0 pour tous les tubes en zigzag, alors que n = m pour tous les tubes en fauteuil.

Synthèse

La méthode d’évaporation par arc, qui produit les nanotubes de la meilleure qualité, consiste à faire passer un courant d’environ 50 ampères entre deux électrodes de graphite dans une atmosphère d’hélium. Ceci entraîne la vaporisation du graphite, dont une partie se condense sur les parois de la cuve de réaction et l’autre sur la cathode. C’est le dépôt sur la cathode qui contient les nanotubes de carbone. Les nanotubes à paroi simple sont produits lorsque Co et Ni ou autre métal est ajouté à l’anode. Il est connu depuis les années 1950, si ce n’est plus tôt, que les nanotubes de carbone peuvent aussi être fabriqués en faisant passer un gaz contenant du carbone, tel qu’un hydrocarbure, par un catalyseur. Le catalyseur est constitué de particules de métal de taille nanométrique, généralement Fe, Co ou Ni. Ces particules catalysent la décomposition des molécules gazeuses présentes dans le carbone, puis un tube commence à se développer avec une particule de métal à son extrémité. Il a été prouvé en 1996 que les nanotubes à paroi unique peuvent aussi être fabriqués catalytiquement. La perfection des nanotubes de carbone fabriqués de cette manière s’est avérée être généralement inférieure à ceux fabriqués par évaporation par arc, mais cette technique a été considérablement améliorée ces dernières années. Le grand avantage de la synthèse catalytique par rapport à l’évaporation par arc est qu’elle peut être adaptée pour une fabrication en masse. La troisième méthode importante de fabrication de nanotubes consiste en l’utilisation d’un laser puissant pour vaporiser une cible en métal-graphite. Celle-ci peut être utilisée pour la fabrication de tubes à paroi unique à haut rendement.

Caractéristiques

La solidité des liaisons carbone-carbone sp² confère des propriétés mécaniques remarquables aux nanotubes de carbone. La rigidité d’un matériau est mesurée en termes de son module de Young, taux de variation du stress en cas d’effort appliqué. Le module de Young des meilleurs nanotubes atteindre 1000 GPa, environ 5 fois supérieur à celui de l’acier. La résistance à la traction, ou résistance à la rupture des nanotubes peut être de 63 GPa, environ 50 fois plus élevée que celle de l’acier. Ces propriétés, associées à la légèreté des nanotubes de carbone, leur apporte un excellent potentiel dans des applications telles que l’aérospatiale. Il a même été suggéré que les nanotubes pourraient être utilisés dans l'”ascenseur spatial”, un câble Terre-espace à l’origine proposé par Arthur C. Clarke. Les propriétés électroniques des nanotubes de carbone sont aussi extraordinaires. Le fait que les nanotubes peuvent être métalliques ou semi-conducteurs en fonction de leur structure est aussi particulièrement remarquable. Ainsi, certains nanotubes possèdent une conductivité supérieure à celle du cuivre, alors que d’autres se comportent plus comme le silicium. Il existe un grand intérêt dans la possibilité de construire des dispositifs électroniques nanométriques à partir de nanotubes, et des progrès sont réalisés dans ce domaine. Toutefois, afin de construire un dispositif utile, il nous faut agencer plusieurs milliers de nanotubes en un motif défini, et nous n’avons pas encore le degré de contrôle nécessaire pour atteindre cet objectif. Les nanotubes de carbone sont déjà utilisés dans plusieurs domaines de la technologie. Ceux-ci comprennent les Ceux-ci comprennent les écrans plats, les microscopes à sonde à balayage, ainsi que les dispositifs de détection. Les propriétés uniques des nanotubes de carbone amèneront sans aucun doute de nombreuses autres applications.

Nanocornets

Des cônes à paroi unique à morphologie similaire à celle des bouchons de nanotubes furent à l’origine préparés par Peter Harris, Edman Tsang et leurs collègues en 1994 (cliquez ici pour lire notre article). Ils ne furent par découverts par les scientifiques de la NEC comme indiqué dans un communiqué de presse. Ils furent fabriqués par des traitements thermiques à haute température de suie de fullerènes – cliquez ici pour voir une image type. Le groupe de Sumio Iijima a ensuite montré qu’ils pouvaient aussi être fabriqués par l’élimination du graphite au laser, et leur donna le nom de “nanocornets”. Ce groupe a démontré que les nanocornets possédaient des propriétés adsorbantes et catalytiques remarquables, et qu’ils pouvaient être utilisés comme composants d’une nouvelle génération de cellules à combustible. Pour de plus amples détails, consultez le communiqué de presse de la NEC ainsi que ces informations de CNN.

Liens nanotubes

History of Carbon Nanotubes par C& EN

L’article de Wikipedia sur les nanotubes de carbone

Excellent programme titré Nanotube Modeler par JCrystal

Un abrégé des Physical properties of carbon nanotubes par Thomas A. Adams

Nanotube animation gallery par Shigeo Maruyama

Les sites nano

ï  Nanotechweb

ï  NaniteNews

ï  L’Âge du Nano

Fournisseurs commerciaux de nanotubes de carbone et matériaux connexes

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Eikos (films sur les nanotubes)

Cheap tubes, Inc.

NanoLab Incorporated

Nanoscience Instruments: Conseils sur les nanotubes de carbone pour microsospie de force atomique

Helix Material Solutions

Nanostructured & Amorphous Materials Inc.

Thomas Swan & Co. Ltd. (R.U.)

Nanocyl (Belgique)

Reinste Nanoventures (Inde)

FutureCarbon GmbH (Allemagne)

Sun Nanotech Co Ltd (Chine)

Dernière mise à jour: 20 juillet 2015

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Ce site est tenu par Peter Harris qui travaille au Centre for Advanced Microscopy de l’University of Reading

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John has worked in investment banking for 10 years and is the main author at 7 Binary Options. He holds a Master's degree in Economics.
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