Science et technologie des nanotubes de carbone

par Peter J F Harris

Les nanotubes de carbone sont des tubes de carbone graphitique à l’échelle moléculaire, dotés de propriétés remarquables. Elles font partie des fibres les plus rigides et les plus solides connues et présentent des propriétés électroniques remarquables et de nombreuses autres caractéristiques uniques. Pour ces raisons, ils ont suscité un vif intérêt, tant académique que industriel, avec des milliers d’articles sur les nanotubes publiés chaque année. Les applications commerciales ont cependant été plutôt lentes à se développer, principalement à cause des coûts de production élevés des nanotubes de meilleure qualité.

Histoire

L’énorme intérêt actuel pour les nanotubes de carbone est une conséquence directe de la synthèse du buckminsterfullerene, du C60 et d’autres fullerènes, en 1985. La découverte que le carbone pourrait former des structures stables et ordonnées autres que le graphite et le diamant a incité les chercheurs du monde entier à rechercher d’autres formes nouvelles. de carbone. Un nouvel élan a été donné à la recherche lorsqu’il a été démontré en 1990 que le C60 pouvait être produit dans un simple appareil à évaporation d’arc, facilement disponible dans tous les laboratoires. C’est en utilisant un tel évaporateur que le scientifique japonais Sumio Iijima a découvert des nanotubes de carbone liés au fullerène en 1991. Les tubes contenaient au moins deux couches, souvent beaucoup plus, et avaient un diamètre extérieur compris entre environ 3 nm et 30 nm. Ils étaient invariablement fermés aux deux extrémités.

Une micrographie électronique à transmission de quelques nanotubes à parois multiples est présentée dans la figure (à gauche). En 1993, une nouvelle classe de nanotubes de carbone a été découverte, avec une seule couche. Ces nanotubes à paroi unique sont généralement plus étroits que les tubes à parois multiples, avec des diamètres compris généralement entre 1 et 2 nm, et ont tendance à être courbes plutôt que droits. L’image de droite montre des tubes à paroi simple typiques. Il a rapidement été établi que ces nouvelles fibres possédaient une gamme de propriétés exceptionnelles (voir ci-dessous), ce qui a déclenché une explosion de recherches sur les nanotubes de carbone. Il est toutefois important de noter que des tubes de carbone nanométriques, produits de manière catalytique, étaient connus depuis de nombreuses années avant la découverte de Iijima. La raison principale pour laquelle ces premiers tubes n’ont pas suscité un grand intérêt est qu’ils étaient structurellement plutôt imparfaits et n’avaient donc pas de propriétés particulièrement intéressantes. Des recherches récentes se sont concentrées sur l’amélioration de la qualité des nanotubes produits par voie catalytique.

Structure

La liaison dans les nanotubes de carbone est sp², chaque atome étant 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 est possible de rouler une feuille de graphène dans un tube de trois manières différentes, comme indiqué dans le diagramme ci-dessous.

Les deux premiers, appelés « fauteuil » (en haut à gauche) et « zig-zag » (au milieu à gauche), présentent un degré élevé de symétrie. Les termes « fauteuil » et « zig-zag » font référence à la disposition des hexagones autour de la circonférence. La troisième classe de tubes, qui est en pratique la plus courante, est appelée chirale, ce qui signifie qu’elle peut exister sous deux formes liées aux miroirs. Un exemple de nanotube chiral est présenté en bas à gauche.

La structure d’un nanotube peut être spécifiée par un vecteur (n, m), qui définit comment la feuille de graphène est enroulée. Ceci peut être compris en référence à la figure ci-contre. Pour produire un nanotube avec les indices (6,3), disons, la feuille est enroulée de sorte que l’atome marqué (0,0) se superpose à celui marqué (6,3). On peut voir sur la figure que m = 0 pour tous les tubes en zigzag, tandis que n = m pour tous les tubes du fauteuil.

Synthèse

La méthode par évaporation d’arc, qui produit les nanotubes de meilleure qualité, implique de faire passer un courant d’environ 50 ampères entre deux électrodes en graphite dans une atmosphère d’hélium. Cela provoque la vaporisation du graphite, une partie de celle-ci se condensant sur les parois du récipient de réaction et une autre partie sur la cathode. C’est le dépôt sur la cathode qui contient les nanotubes de carbone. Des nanotubes à paroi unique sont produits lorsque du Co, du Ni ou un autre métal est ajouté à l’anode. Depuis les années 50, voire plus tôt, on sait que l’on peut également fabriquer des nanotubes de carbone en faisant passer un gaz contenant du carbone, tel qu’un hydrocarbure, sur un catalyseur. Le catalyseur est constitué de nanoparticules de métal, généralement Fe, Co ou Ni. Ces particules catalysent la décomposition des molécules gazeuses en carbone et un tube commence alors à se développer avec une particule métallique à la pointe. Il a été démontré en 1996 que des nanotubes à paroi unique peuvent également être produits de manière catalytique. La perfection des nanotubes de carbone ainsi obtenus est généralement inférieure à celle obtenue par évaporation d’arc, mais la technique a été considérablement améliorée ces dernières années. Le gros avantage de la synthèse catalytique par rapport à l’évaporation sur arc est qu’elle peut être augmentée pour la production en volume. La troisième méthode importante pour la fabrication de nanotubes de carbone consiste à utiliser un laser puissant pour vaporiser une cible en graphite métallique. Ceci peut être utilisé pour produire des tubes à paroi unique avec un rendement élevé.

Propriétés

La force des liaisons carbone-carbone sp² confère aux nanotubes de carbone des propriétés mécaniques étonnantes. La rigidité d’un matériau est mesurée en termes de son module d’Young, le taux de changement de contrainte en fonction de la contrainte appliquée. Le module de Young des meilleurs nanotubes peut atteindre 1 000 GPa, ce qui est environ 5 fois plus élevé que l’acier. La résistance à la traction, ou contrainte à la rupture, des nanotubes peut atteindre 63 GPa, environ 50 fois plus que l’acier. Ces propriétés, associées à la légèreté des nanotubes de carbone, leur confèrent un grand potentiel dans des applications telles que l’aérospatiale. Il a même été suggéré d’utiliser des nanotubes dans «l’ascenseur spatial», un câble Terre-espace proposé pour la première fois par Arthur C. Clarke. Les propriétés électroniques des nanotubes de carbone sont également extraordinaires. Le fait que les nanotubes puissent être métalliques ou semi-conducteurs en fonction de leur structure est particulièrement remarquable. Ainsi, certains nanotubes ont une conductivité supérieure à celle du cuivre, tandis que d’autres se comportent davantage comme du silicium. La possibilité de construire des dispositifs électroniques à l’échelle nanométrique à partir de nanotubes suscite un vif intérêt et des progrès ont été réalisés dans ce domaine. Cependant, afin de construire un dispositif utile, nous aurions besoin de disposer plusieurs milliers de nanotubes selon un schéma défini, et nous n’avons pas encore le degré de contrôle nécessaire pour y parvenir. Les nanotubes de carbone sont déjà utilisés dans plusieurs domaines technologiques. Ceux-ci incluent des écrans plats, des microscopes à sonde à balayage et des dispositifs de détection. Les propriétés uniques des nanotubes de carbone conduiront sans aucun doute à de nombreuses autres applications.

Nanohorns

Les cônes en carbone à paroi unique, avec des morphologies similaires à celles des capsules de nanotubes, ont été préparés par Peter Harris, Edman Tsang et ses collègues en 1994 (cliquez ici pour voir notre document). Elles ont été produites par des traitements thermiques à la suie de fullerène à haute température – cliquez ici pour voir une image typique. Le groupe de Sumio Iijima a ensuite montré qu’ils pouvaient également être produits par ablation au laser de graphite et leur a donné le nom de « nanohorns ». Ce groupe a démontré que les nano-cornes ont des propriétés adsorbantes et catalytiques remarquables.

Source de la page: http://www.personal.rdg.ac.uk/~scsharip/tubes.htm
Traduit par Mathilde Guibert

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *