Nanotube de carbone

Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.
Aller à : navigation, rechercher
Représentation d'un nanotube de carbone. (cliquer pour voir l'animation tridimensionnelle)
Un nanotube de carbone monofeuillet.
Extrémité d'un nanotube, vue au microscope électronique

Les nanotubes de carbone sont une forme allotropique du carbone appartenant à la famille des fullerènes. En 2008, ce sont les matériaux les plus résistants et durs ; la théorie leur prédit une conductivité électrique et une conductivité thermique remarquablement élevées. Ce sont les premiers produits industriels issus des nanotechnologies.

Découverte[modifier | modifier le code]

En 2006, un éditorial de Marc Monthioux et Vladimir Kuznetsov du journal Carbon a décrit l'intéressante et pourtant méconnue origine des nanotubes de carbone. Une très grande partie des revues de toute nature attribuent, à tort, la découverte de tubes nanométriques composés de feuillets de graphite à Sumio Iijima (NEC) en 1991[1],[2]. Bien que ses publications aient marqué le point de départ de l'intérêt pour ces structures, Sumio Iijima n'a pas été en fait le premier à observer un nanotube de carbone (voir plus bas), mais de toute façon, il serait impossible de savoir qui a été le premier à en créer. En effet, dès la découverte du feu il y a environ 500 000 ans, il s'en produisait déjà (en infime quantité) dans la suie des foyers, où, fractionnées sous l’effet de la chaleur, les molécules de carbone voient leurs atomes se recombiner d'innombrables façons, donnant naissance tantôt à de minuscules gouttes amorphes, tantôt à des nanostructures géodésiques[3].

La première observation réelle de nanotubes semble dater de 1952, année où Radushkevich et Lukyanovich ont publié des images claires de tubes de carbone d'environ 50 nanomètres de diamètre dans le Journal of Physical Chemistry[4] (soviétique). Cette découverte ne s'est pas répandue, l'article étant publié en russe, les scientifiques de l'ouest ayant de plus un accès restreint aux publications soviétiques durant la guerre froide. Comme on l'a dit, des nanotubes de carbone furent produits bien avant cette date, mais c'est seulement à partir de cette époque que l'invention du microscope électronique en transmission permit une visualisation directe de ces structures.

Les nanotubes de carbone furent donc produits et observés sous différentes conditions, bien avant 1991. Un article d'Oberlin, Endo et Koyama publié en 1976 montre clairement des fibres de carbones creuses (hollow carbon fibres) de taille nanométrique, obtenues à partir de méthodes CVD[5]. De plus, les auteurs montrent une image en MET d'un nanotube constitué d'une seule paroi. Plus tard, Endo a considéré que cette image était celle d'un nanotube monofeuillet[6].

En outre, en 1979, John Abrahamson présenta des preuves de l'existence des nanotubes de carbone à la 14e Conférence biennale du Carbone de l'université d'État de Pennsylvanie. Lors de la conférence, les nanotubes de carbone furent décrits comme des fibres de carbone produites sur une anode de carbone après formation d'un arc électrique. Les caractéristiques de ces fibres étaient données, ainsi que des hypothèses sur leur croissance en milieu azoté à basse pression[7]

En 1981, un groupe de scientifiques soviétiques publia les résultats de la caractérisation chimique et structurelle de nanoparticules de carbone produites par dismutation thermo-catalytique de monoxyde de carbone. En utilisant des images MET et aux rayons X, les auteurs suggérèrent que leurs « cristaux tubulaires multi-couche de carbone » étaient formés par enroulement de couches de graphène en cylindres. De plus, ils supposèrent que durant cet enroulement, plusieurs dispositions du réseau hexagonal du graphène étaient possibles. Ils envisagèrent deux possibilités : une disposition circulaire (nanotubes de type « fauteuil ») et une disposition en spirale (nanotubes chiraux)[8].

En 1993, Sumio Iijima et Donald S. Bethune d'IBM en Californie réussissent indépendamment à synthétiser des nanotubes monofeuillet [9],[10]. Si Iijima obtient ses nanotubes monofeuillets en phase gazeuse, Bethune utilise quant à lui une technique de covaporisation de carbone et de cobalt.

Structure[modifier | modifier le code]

Il existe deux types de nanotubes de carbone :

  • Les nanotubes de carbone monofeuillets, (en anglais Single-walled Carbon Nanotubes, SWNT) ;
  • Les nanotubes de carbone multifeuillets, (en anglais Multi-walled Carbon Nanotubes, MWNT).

On parle aussi de nanotubes de carbones double-feuillets (en anglais double-walled carbon nanotubes, DWNT) aux propriétés à mi-chemin entre les deux types précédents.

Nanotubes de carbone monofeuillets (SWNT, single-walled nanotubes)[modifier | modifier le code]

La structure d'un nanotube de carbone monofeuillet peut être représentée par un feuillet de graphène enroulé sur lui-même et fermé à ses deux extrémités par une demi-sphère. La façon dont le feuillet de graphène est replié sur lui-même définit un paramètre, appelé hélicité, qui fixe la structure du nanotube. L'hélicité permet de caractériser les différents types de nanotubes existants.

Enroulement[modifier | modifier le code]

Structure de type nid d'abeille du graphène. Soient a1 et a2 2 vecteurs directeurs du système cristallin. On définit m et n, 2 entiers, tels que le vecteur de chiralité Ch, axe selon lequel s'enroule le nanotube, soit Ch = n a1 + m a2

Le nanotube monofeuillet peut être modélisé par l'enroulement d'une feuille de graphène sur elle-même. Cette feuille de graphène présente une structure de type nid-d'abeille, dont on peut donner 2 vecteurs directeurs, a1 et a2. On définit ensuite le vecteur de chiralité, Ch, axe selon lequel le graphène s'enroule pour former le nanotube. Ce vecteur peut donc être décomposé en deux composantes, selon les vecteurs a1 et a2. Soient m et n, les scalaires tels que Ch = n a1 + m a2.

Selon la valeur de ces 2 scalaires, 3 types d'enroulements, donc trois types de nanotubes peuvent être décrits :

  • Si m=0, on dira que le nanotube a une structure de type « zig-zag »
  • Si m=n, on dira que le nanotube a une structure de type « chaise »
  • Dans tous les autres cas, on dira que le nanotube est « chiral ».

Ces différences d'hélicité donneront aux nanotubes de carbone des propriétés différentes. Notamment, en ce qui concerne les propriétés électriques. Un nanotube de carbone de chiralité (n,m) sera métallique si (2n + m) est un multiple de 3. Sinon, il sera semi-conducteur. Donc un nanotube de carbone chaise sera toujours métallique (car on a 2m+m) tandis qu'un nanotube zig-zag ou chiral sera soit métallique, soit semi-conducteur.

Extrémités[modifier | modifier le code]

On obtient ainsi un tube ouvert à ses deux extrémités, il reste donc à le fermer. Pour cela il faut introduire des défauts de courbure dans le plan de graphène, il s'agit ici de pentagones.

Ces pentagones introduisent une courbure de 112° dans le feuillet et les lois mathématiques d'Euler montrent qu'il faut un minimum de 12 pentagones pour fermer le feuillet (soit 6 pentagones à chaque extrémité du tube). Les études montrent que la molécule de C60 contient justement 12 pentagones et 20 hexagones : il s'agit donc du plus petit fullerène possible. Cependant, alors qu'une distribution théorique régulière de ces pentagones donne une forme hémisphérique, on observe le plus souvent une pointe de forme conique.

Un nanotube a un diamètre compris entre 1 et 10 nanomètres pour une longueur variable, pouvant aller jusqu'à plusieurs micromètres.

Nanotubes de carbone multifeuillets (MWNT, multi-walled nanotubes)[modifier | modifier le code]

Imagerie Sarfus d'un « fagot de nanotubes double paroi ».

Un nanotube de carbone multifeuillet est constitué de plusieurs feuillets de graphènes enroulés les uns autour des autres. Il existe deux modèles pour décrire la structure des nanotubes multifeuillets :

  • le modèle poupée russe: les plans de graphène sont arrangés en cylindres concentriques ;
  • le modèle parchemin: un seul feuillet de graphène est enroulé sur lui-même, comme une feuille de papier.

Propriétés[modifier | modifier le code]

Les nanotubes de carbone suscitent un énorme intérêt dans le monde de la recherche autant fondamentale qu'appliquée car leurs propriétés sont exceptionnelles à bien des égards. D'un point de vue mécanique, ils présentent à la fois une excellente rigidité (mesurée par le module de Young), comparable à celle de l'acier, tout en étant extrêmement légers. Des points de vue électrique et optique, les nanotubes monofeuillets ont la particularité tout à fait exceptionnelle de pouvoir être soit métalliques soit semi-conducteurs en fonction de leur géométrie (diamètre du tube et angle d'enroulement de la feuille de graphène).

Propriétés mécaniques[modifier | modifier le code]

Les nanotubes se montrent intéressants par les principales caractéristiques suivantes :

Résilience[modifier | modifier le code]

Bien que difficile à vérifier expérimentalement (la petite taille des nanotubes ne permet pas de véritables tests de contrainte pour l'instant), la résistance des nanotubes de carbone devrait être (d'après des simulations informatiques) environ 100 fois supérieure à l'acier pour un poids 6 fois moindre (à section équivalente).

Ces propriétés varient aussi selon la nature du nanotube. Les nanotubes multifeuillets sont beaucoup plus résistants que les nanotubes monofeuillets.

Les performances mécaniques des matériaux composites à base de nanotubes intéressent les spécialistes de l’aéronautique. L’idée est de fabriquer des matériaux les plus légers et les plus résistants possible. On peut adjoindre des fonctions supplémentaires pour obtenir des matériaux dits multifonctionnels. Les avions d’aujourd’hui sont encore constitués de plus de 80 pour cent en masse d’alliages métalliques (surtout à base d’aluminium), mais ces derniers sont progressivement remplacés par des composites à base de carbone. Cela permettrait des gains substantiels en termes de masse et donc en économies de carburants. Incorporer des nanotubes à ces plastiques les renforcerait sans les alourdir et, éventuellement, les rendraient conducteurs pour en faire des matériaux « intelligents ». Ils seraient sensibles, par exemple, à des contraintes et des déformations sur l’avion et capables d’en informer l’équipage[11].

Module de Young[modifier | modifier le code]

Le module de Young des nanotubes de carbone est le plus souvent supérieur à 1 TPa[12].

Conductivité thermique[modifier | modifier le code]

Les nanotubes de carbone ont une conductivité thermique très élevée, de 6 à 20 W.cm-1.K-1, qui peut dans certains cas s'approcher de celle du diamant (20 W.cm-1.K-1).

Propriétés électriques[modifier | modifier le code]

  • Les nanotubes ont une conductivité supérieure à celle du cuivre (et 70 fois supérieure à celle du silicium).
  • Le nanotube de carbone a la plus grande mobilité[13] jamais mesurée : 100 000 cm2⋅V-1s-1 à 300 K (le précédent record étant de 77 000 cm2⋅V-1s-1 pour l'antimoniure d'indium).
  • Les nanotubes de carbone deviennent supraconducteurs à basse température[14].
  • Les nanotubes de carbone permettent de réaliser des transistors à un niveau de miniaturisation jamais atteint jusqu'à maintenant. Des chercheurs d'IBM ont d'ores et déjà réussi à créer un transistor sur un nanotube[15].
  • Les nanotubes de carbone pourraient également permettre de réaliser des émetteurs d'électrons à l'échelle du nanomètre (voir ci-dessous).
  • Sous l’effet d'un champ électrique les nanotubes s’alignent.
  • Les nanotubes utilisés comme émetteurs d’électrons semblent être les candidats idéaux pour la nouvelle génération d’écrans plats à effet de champ En effet les nanotubes peuvent avoir des qualités émissives exceptionnelles (jusqu’à 1 A.cm-2) à bas champ d’extraction (3-5 μV.cm-1).
  • Les nanotubes font preuve de propriétés intéressantes dans la conversion directe de l’énergie électrique en énergie mécanique.

Les propriétés électriques des nanotubes dépendent de la nature du nanotube : les nanotubes monofeuillets ont de meilleures propriétés que les multifeuillets (ces derniers ont de moins bonnes propriétés en partie à cause des interactions électriques, de type van der Waals, entre les différentes couches de graphène).

Dans une feuille de graphite dont la densité de porteurs est élevée (donc un matériau conducteur d’électricité), seuls contribuent à la conduction les électrons proches du niveau de Fermi. Aucun des électrons des atomes de carbone dans un autre état énergétique ne peut circuler librement. Un tiers des nanotubes de carbones existants possèdent à la fois le bon diamètre et la bonne structure de torsade (appelée twist) pour inclure le niveau de Fermi dans leur sous-ensemble d’états quantiques autorisés.

Propriétés d'émission de champ[modifier | modifier le code]

Les nanotubes peuvent présenter une longueur extrêmement grande devant leur diamètre (rapport d'aspect >1000). Soumis à un champ électrique, ils vont donc présenter un très fort effet de pointe (cf. principe du paratonnerre). Avec des tensions relativement faibles, on peut générer à leur extrémité des champs électriques colossaux, capables d'arracher les électrons de la matière et de les émettre vers l'extérieur. C'est l'émission de champ. Cette émission est extrêmement localisée (à l'extrémité du tube) et peut donc servir à envoyer des électrons sur un endroit bien précis, un petit élément de matériau phosphorescent qui constituera le pixel d'un écran plat par exemple. Le matériau phosphorescent évacue l'énergie reçue sous forme de lumière (même principe que les écrans de tubes cathodiques).

L'exploitation de cette propriété a déjà permis de réaliser des prototypes d'écrans plats à nanotubes (Samsung et Motorola)[16].

Propriétés chimiques[modifier | modifier le code]

Les nanotubes sont des structures creuses, que l'on peut remplir avec d'autres composés chimiques, ce qui en fait des récipients clos à l'échelle nanométrique, appelés nanofils.

Les nanotubes de carbone sont relativement peu réactifs et une modification chimique de leur surface fait souvent appel à des espèces fortement réactives (oxydants forts, réducteurs forts, espèces radicalaires par exemple). C'est pourquoi une chimie de greffage de nanotubes basée sur des interactions non covalentes s'est fortement développée ces dernières années (adsorption de tensioactifs, enroulement de polymères, d'ADN, adsorption de pyrènes, etc)[17].

Propriétés optiques[modifier | modifier le code]

Propriété d'absorption de la lumière (Vers l'hyper-sombre…)[modifier | modifier le code]

Le matériau le plus noir jamais conçu par l'Homme est un tapis de nanotubes disposés verticalement, réalisé par des chercheurs l'Université Rice autour du professeur Pulickel Ajayan ; avec un indice de réflexion de 0,045 %, il est 30 fois plus sombre que le carbone, ce qui lui permet d’absorber 99,955 % de la lumière qu’il reçoit. C’est 3 fois supérieur à ce que permettait l'alliage de nickel-phosphore qui était le matériau réputé le plus sombre. Ces inventions pourraient intéresser les secteurs militaire, de la communication, de l’énergie (solaire notamment), de l’observation, des colorants, etc.

Propriétés d'électroluminescence[modifier | modifier le code]

Des chercheurs d'IBM ont indiqué avoir réussi à faire émettre de la lumière infra-rouge par des nanotubes de carbone semi-conducteurs placés dans une géométrie de transistor. Les nanotubes non dopés et soumis à un champ électrique généré par une grille peuvent conduire le courant par l'intermédiaire d'électrons (tension de grille négative) ou de trous (tension de grille positive). Si on soumet en plus le nanotube à une tension drain-source (entre les deux extrémités du tube), le courant est transporté par des trous à une extrémité et des électrons à l'autre (transistor ambipolaire). À l'endroit où ces deux types de porteurs se rencontrent (par exemple au milieu du tube si la tension de grille est nulle), il y a recombinaison de paires électron-trou et émission d'un photon.

Propriétés de photoluminescence[modifier | modifier le code]

Défauts[modifier | modifier le code]

Comme dans de nombreux matériaux, l'existence de défauts affecte ses propriétés. Ils peuvent se présenter sous la forme :

  • de vides atomiques (atomes manquant dans la structure du graphène). De tels défauts peuvent affecter la résistance physique des nanotubes, voire dans les cas plus graves la faire baisser de 15 % [18].
  • de Stone Wales defect: au lieu de former des hexagones, les atomes de carbones se réarrangent en pentagones ou en heptagones.

De par leur structure presque uni-dimensionnelle, la résistance physique des nanotubes dépend de la section la plus faible : comme sur une chaîne, la résistance de celle-ci est celle du maillon le plus faible.

Les propriétés électriques et thermiques sont aussi affectées par ces défauts. En général, la zone présentant un défaut est moins bonne conductrice.

Synthèse des nanotubes de carbone[modifier | modifier le code]

Il existe plusieurs procédés de synthèse. On peut citer deux grandes familles: les synthèses à haute température, et les synthèses à moyenne température, ou CVD (Chemical Vapour Deposition)

Méthodes à haute température[modifier | modifier le code]

C'est la méthode préférentielle pour obtenir des nanotubes monofeuillets. Sous des conditions de température et de pression élevées, on fait évaporer du carbone (du graphite, le plus souvent) dans une atmosphère de gaz rare, en général de l'hélium ou de l'argon.

Différentes méthodes[modifier | modifier le code]

Ablation par arc électrique[modifier | modifier le code]

C'est la méthode historique utilisée par Sumio Iijima. On établit en fait un arc électrique entre deux électrodes de graphite. Une électrode, l'anode, se consume pour former un plasma dont la température peut atteindre 6 000 °C. Ce plasma se condense sur l'autre électrode, la cathode, en un dépôt caoutchouteux et filamenteux évoquant une toile d'araignée très dense et contenant les nanotubes. C'est un procédé très peu coûteux et assez fiable[pas clair]. Cependant le processus est tellement complexe qu'au final on n'a que peu de contrôle sur le résultat. De plus, la haute température nécessaire au procédé ne permettait pas d'obtenir en grande quantité un matériau exploitable (les nanotubes ont tendance à fondre partiellement et à s'agglutiner).

Ablation par laser[modifier | modifier le code]

Ce second procédé de vaporisation, mis au point à partir de 1992, consiste à ablater une cible de graphite avec un rayonnement laser de forte énergie pulsé ou continu. Le graphite est soit vaporisé soit expulsé en petits fragments de quelques atomes. C'est un procédé coûteux[pas clair] mais plus facile de contrôle, ce qui permet d'étudier la synthèse et de n'obtenir que les produits désirés.

Ce procédé permit de faire baisser la température de la réaction à 1 200 °C.

Synthèse dans un four solaire[modifier | modifier le code]

On concentre en fait l'énergie solaire sur le graphite pour atteindre la température de vaporisation. Ce procédé permet de synthétiser en moyenne de 0.1 g à 1 g de nanotube par « expérience»[19].

Avantages et inconvénients[modifier | modifier le code]

Avantages :

  • ces méthodes permettent de synthétiser des nanotubes monofeuillets (alors qu'avec les autres méthodes on obtient uniquement des nanotubes multifeuillets, ou un mélange indissociable) ;
  • elles permettent de former des produits très purs.

Inconvénients :

  • on n'a aucun contrôle sur la longueur des nanotubes ;
  • il se forme de véritables amas qu'il faut dissocier pour pouvoir faire des applications.

Une méthode pour utiliser les produits de ces synthèses consiste à disperser les nanotubes dans une solution aqueuse grâce à des tensio-actifs (les nanotubes sont hydrophobes). La dispersion est extrudée dans une solution visqueuse contenant un polymère qui déstabilise la suspension et conduit à l'agrégation des nanotubes sous formes de rubans fins. Ces rubans, de quelques microns d'épaisseur et quelques millimètres de largeurs sont constitués de nanotubes enchevêtrés qui présentent une orientation préférentielle, due à l'écoulement. Lorsqu'on laisse sécher ces rubans à l'air, ils se contractent, l'eau contenue dans ces rubans étant évacuée par capillarité, jusqu'à former des fibres denses, utilisables pour des applications similaires à celles des fibres de carbone.

Méthode CVD[modifier | modifier le code]

On part ici d'une source de carbone liquide (toluène, benzène, cyclohexane) ou gazeuse à laquelle on ajoute un précurseur métallique. On utilise fréquemment du ferrocène (C5H10-Fe-C5H10) (parfois du nickelocène C5H10-Ni-C5H10). On transforme la solution en aérosol (fines gouttelettes) transportée alors par un gaz inerte (de l'argon en général) jusqu'à un four à une température comprise entre 750 °C et 900 °C . Les nanotubes « poussent » alors, soit sur la paroi en verre du tube, soit sur une plaque de silicium (placée pour faciliter la récupération des nanotubes, on récupère après réaction la plaque où les nanotubes sont alignés). On récupère des nanotubes multifeuillets, alignés, d'une longueur d'environ 200 μm. L'apport continu de réactifs va obliger les nanotubes naissant à prendre le moins de place possible, donc de s'aligner tous dans une direction, la verticale du lieu où ils poussent, ce qui explique pourquoi on obtient des nanotubes alignés.

Après réaction, les nanotubes contiennent encore des impuretés (principalement le métal de départ, fer ou nickel), qu'il faut éliminer. On « recuit » donc les nanotubes (sous atmosphère de gaz inerte, car la présence de dioxygène détruirait les nanotubes), ce qui a pour effet d'ouvrir les demi-fullerènes aux extrémités, permettant aux impuretés de sortir. Cette re-cuisson présente aussi l'avantage de rendre les nanotubes encore plus rectilignes, en éliminant les éventuels défauts (partie d'une couche de graphène « cassée » ce qui fait que les différentes couches s'entrechoquent)[20].

État de la technologie[modifier | modifier le code]

En juin 2005, des chercheurs du Nanotech Institute de l'université de Dallas (Texas, États-Unis d'Amérique) et de la Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (Csiro, Australie) sous la houlette de Mei Zhang ont publié un article dans la revue Science indiquant qu'ils avaient mis au point une méthode permettant de produire un à sept mètres par minute de nanotubes de quelques centimètres de long et quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur. Ce processus devrait permettre de faire tomber la principale barrière à la mise en application de cette matière, qui pourra participer à l'émergence rapide de nouveaux produits finis.

En 2005, l'équipe de Ray Baughman de l'Université du Texas à Dallas aux États-Unis a publié une méthode permettant de produire jusqu'à dix mètres de nano-ruban par minute. Bien que l'on sache fabriquer des nano-rubans depuis quelques années, leur fabrication était jusque-là fastidieuse et longue.

Transparents, les nano-rubans ont d'autres propriétés assez spectaculaires. Après un simple lavage à l'éthanol, le ruban ne fait que 50 nanomètres d'épaisseur et un kilomètre carré ne pèse que 30 kilogrammes.

Cette production accélérée pourrait permettre d'utiliser les rubans de nanotube dans plusieurs domaines, comme dans l'industrie automobile (un ruban de nanotube sera coincé entre les vitres des voitures et en l'alimentant en courant, il les dégivrera) ou l'audiovisuel pour fabriquer des écrans enroulables.

Des recherches en cours étudient la possibilité de remplacer le filament des ampoules électriques, normalement en tungstène par un nano-ruban. À température égale, le filament en nanotube aurait un rendement lumineux supérieur à celle du tungstène car en plus de l'émission lumineuse due à l'effet de corps noir se rajoute un effet de luminescence. Toutefois une commercialisation de ces ampoules n'est pas envisagée avant 2010.

Au mois d'avril 2007, des chercheurs de l'Université de Cincinnati aux États-Unis ont annoncé avoir synthétisé des nanotubes de près de 2 cm de long, soit 900 000 fois leur section. Les chercheurs Vesselin Shanov et Mark Schulz, assistés du post-doctorant Yun Yeo Heung et de quelques étudiants ont utilisé la méthode de la déposition chimique de couches minces de matériaux par vapeur, dans un fourneau appelé "EasyTube 3000". Selon ces chercheurs, ce n'est qu'un début.

Au mois de septembre 2013, des chercheurs de l'université de Stanford en collaboration avec IBM ont développé le premier ordinateur possédant un processeur composé de nanotubes en carbone. En effet, le processeur est composé de nanotubes de 10 à 200 nanomètres de long. D'après les chercheurs, ce premier processeur est comparable au Intel 4040, construit dans les années 70. Selon certains représentants de l'industrie, cette expérience est le début d'une nouvelle ère de processeurs[3].

Problèmes environnementaux et sanitaires[modifier | modifier le code]

Les nanotubes de carbone ont des propriétés qui suscitent beaucoup d'espoirs industriels, mais - outre leur coût élevé[pas clair] - en début et fin de cycle de vie notamment, ou en cas de dispersion accidentelle, les nanotubes, comme d'autres nanomolécules, présentent des risques de pollution nanométrique. Compte tenu de leur petite taille, les nanotubes peuvent facilement être absorbés par l'organisme, et compte tenu de leur caractère de cycle benzénique polymérisé, la question de l'intercalement entre les cycles d'ADN et des risques élevés de cancer en résultant sont objet à interrogations.

Leur impact sanitaire et environnemental fait l'objet d'études[21]. Un article du journal Langmuir de l'American Chemical Society a récemment étudié le caractère "tueur de cellules" des nanotubes par contact direct en déchirant les membranes cellulaires[22]. Des études récentes ont démontré des similarités structurelles entre les fibres en nanotubes de carbone (en forme d'aiguilles) et des fibres d'amiante, et confirment les risques de contraction de mésothéliome[23].

Une étude publiée le 4 avril 2010 dans la revue Nature Nanotechnologies indique que les nanotubes de carbone ne seraient non pas biopersistants, comme on le pensait jusqu'alors, mais qu'ils seraient plutôt dégradés par une enzyme, myeloperoxidas (MPO), qui s'attaque à ces nanotubes. Elle est produite par les neutrophiles, qui constituent la majorité des globules blancs[24].

En France,

  • L'Association de Veille et d'Information Civique sur les Enjeux des Nanosciences et des Nanotechnologies (AVICENN) compile sur la page "Risques associés aux nanotubes de carbone" du site veillenanos.fr les références des travaux synthétiques sur le sujet.
  • L'ANSES a réalisé un état de l'art sur la toxicité et l'écotoxicité des nanotubes de carbone en 2011-2012[25]
  • le Haut conseil de la santé publique (HCSP) interrogé sur la toxicité des nanotubes de carbone et sur l’intérêt de protéger les travailleurs a recommandé (avis du 7 janvier 2009), en vertu du principe de précaution, que la production et l’utilisation des nanotubes de carbone soient effectuées dans des «conditions de confinement strict» afin de protéger les travailleurs et les chercheurs. Le HCSP estime que deux études récentes laissent penser qu'existe «un danger cancérogène potentiel» comparable à celui induit par l'amiante inhalée, tout en suggérant des recherches complémentaires[26]. Le HCSP a aussi proposé une déclaration obligatoire et une obligation d'étiquetage en France pour les nanomatériaux et la mise en place rapide, à échelle européenne d'une procédure d’enregistrement et d’évaluation des risques, similaire au règlement Reach.
  • L'Afsset [27] a proposé un guide pour mieux détecter les situations d’expositions, avec des pistes de recherche.

Applications[modifier | modifier le code]

Propriétés physiques[modifier | modifier le code]

Une rigidité très élevée et une large déformabilité leur confèrent des propriétés d’absorption d’énergie surpassant celles des matériaux existants, tels le Kevlar® et la soie d’araignée. De telles fibres pourraient être incorporées dans des matériaux de protection ultraperformants et légers (pare-chocs, gilets pare-balles…)[28].

Grâce à leurs propriétés physiques, les nanotubes de carbone sont susceptibles à l'avenir d'être utilisés dans de nombreux domaines, notamment :

  • dans les vêtements : possibilité de faire des vêtements (normaux) plus résistants et imperméables ou dans la confection de gilets pare-balles. Il serait également possible de créer des vêtements autonettoyants.
  • dans les polyéthylènes: des chercheurs ont découvert qu'en mettant des nanotubes dans du polyéthylène, celui-ci devenait jusqu'à 30 % plus élastique.
  • dans certains équipements sportifs pour remplacer la fibre de carbone (raquettes de tennis, vélos, kayaks…)
  • dans le stockage de l'hydrogène (par absorption), notamment dans le cadre des piles à combustible; mais cette propriété est controversée[29].
  • dans le domaine militaire, particulièrement pour la construction de "Railgun" (canon électrique)

Ou encore dans un domaine qui relève actuellement de la science-fiction, la construction d'un ascenseur spatial.

Propriétés chimiques[modifier | modifier le code]

Il s'agit ici d'exploiter la cavité protectrice que forme le nanotube de carbone :

  • réservoirs à hydrogène (contenant ce dernier à l'état gazeux ou sous forme d'hydrure métallique), de façon à stocker celui-ci de façon plus efficace qu'actuellement (en bouteille).
  • dans les disques durs : ils serviraient de réservoirs de lubrifiant, celui-ci fondant par l'utilisation d'une nouvelle technique de chauffage par laser (modifiant les propriétés magnétiques) avant écriture[30]
  • Le 19 mai 2006, des chercheurs de l'université de Berkeley et de Livemoer, en Californie, ont trouvé une nouvelle application pour les nanotubes : ils pourraient servir à séparer différents gaz ou liquides. En effet, ces chercheurs ont démontré que les molécules passaient bien plus facilement à travers ces tubes que dans d'autres pores de taille équivalente.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) Marc Monthioux et Vladimir L. Kuznetsov, « Who should be given the credit for the discovery of carbon nanotubes? », Carbon, vol. 44,‎ 2006 (lire en ligne [PDF])
  2. (en) Sumio Iijima, « Helical microtubules of graphitic carbon », Nature, vol. 354,‎ novembre 1991, p. 56-58
  3. a et b Jean-Baptiste Waldner, Nano-informatique et Intelligence Ambiante - Inventer l'Ordinateur du XXIème Siècle, Paris, Hermes Science,‎ 2007 (ISBN 978-2-7462-1516-0, LCCN 2007474110) à la page 82
  4. « Radushkevich-Lukyanovich (1952) (russe) » (ArchiveWikiwixArchive.isGoogleQue faire ?). Consulté le 2013-11-07
  5. (en) A. Oberlin, M. Endo et T. Koyama, « Filamentous growth of carbon through benzene decomposition », Journal of Crystal Growth, vol. 32, no 3,‎ mars 1976, p. 335 - 349 (DOI 10.1016/0022-0248(76)90115-9).
  6. M. Endo,M.S. Dresselhaus, « Carbon Fibers and Carbon Nanotubes (Interview, Nagano, Japan) »,‎ 26 octobre 2002 (consulté en 26 juillet 2007)
  7. (en) John Abrahamson, Peter G. Wiles et Brian L. Rhoades, « Structure of Carbon Fibers Found on Carbon Arc Anodes », Carbon, vol. 11, no 37,‎ 1999.
  8. Izvestiya Akademii Nauk SSSR, Metals. 1982, #3, p. 12-17 [en Russe]
  9. (en) Sumio Iijima et Toshinari Ichihashi, « Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter », Nature, vol. 363,‎ 17 juin 1993, p. 603-605
  10. (en) D.S. Bethune, C.H. Klang, M.S. De Vries, G. Gorman, R. Savoy, J. Vasquez et R. Beyers, « Cobalt catalysed growth of carbon nanotubes with single-atomic-layer walls », Nature, vol. 363,‎ 17 juin 1993, p. 605-607
  11. Les nanotubes, des fibres d’avenir ; Dossier Pour la Science n°79, avril-juin 2013 http://www.pourlascience.fr/ewb_pages/f/fiche-article-les-nanotubes-des-fibres-d-avenir-31284.php
  12. « Les nanotubes de carbone », laboratoire IRAMIS du CEA
  13. Mesure du déplacement des électrons sous l'effet du champ électrique ; elle s'exprime en cm2.V-1.s-1
  14. Article sur le site du département de Physique de l'École normale supérieure
  15. Article sur le site web « Journal du web » les transistors d'IBM
  16. (fr) Motorola met des nanotubes dans ses écrans
  17. (en) A. Hirsch, « Functionalization of Single-Walled Carbon Nanotubes », Angewandte Chemie International Edition, vol. 41,‎ 2002, p. 1853-1859.
  18. (en) Mechanical properties of carbon nanotubes with vacancies and related defects [PDF]
  19. Ce procédé est utilisé par la société Nanoledge basée à Montpellier.
  20. Cette méthode est notamment utilisée par le Laboratoire Francis Perrin.
  21. Voir les références des travaux compilés sur la page "Risques associés aux nanotubes de carbone" du site veillenanos.fr, mise en ligne en février 2014 et régulièrement mise à jour par l'Association de Veille et d'Information Civique sur les Enjeux des Nanosciences et des Nanotechnologies (AVICENN)
  22. Article de Futura-Sciences sur le caractère bactéricide des nanotubes SWCNT
  23. Carbon nanotubes introduced into the abdominal cavity of mice show asbestos-like pathogenicity in a pilot study. http://www.nature.com/nnano/journal/v3/n7/full/nnano.2008.111.html
  24. Antoine Baudoin, « Les nanotubes de carbone suscitent de nouveaux espoirs en médecine ».
  25. Toxicité et écotoxicité des nanotubes de carbone, ANSES, novembre 2012
  26. Communiqués du HCSP
  27. Rapport sur les risques au travail liés aux nanomatériaux, juillet 2008
  28. Les nanotubes, des fibres d’avenir ; Dossier Pour la Science n°79, avril-juin 2013
  29. (fr) thèse de David Langohr, 1994: Étude du stockage d'hydrogène par adsorption dans des carbones nanostructurés
  30. (fr) Seagate veut utiliser des nanotubes dans ses disques durs

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

M. Moreno, Synthèse en phase gazeuse de nanoparticules de carbone par plasma hors équilibre;  Thèse de doctorat de M Moreno, École des mines de Paris, 328 pages, 15 décembre 2006

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]