Nanotube
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Image:Louie nanotube.jpg Le nanotube est une structure cristalline particulière, de forme tubulaire, creuse et close, composée d'atomes disposés régulièrement en pentagones, hexagones et/ou heptagones, obtenue à partir de certains matériaux, en particulier le carbone et nitrure de bore.
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Nanotubes de carbone
Les nanotubes de carbone sont une forme de structure cristalline du carbone proche des fullerènes. Ils sont un des premiers produits industriels du domaine des nanotechnologies.
Les fullerènes ont été découverts en 1985 par Harold Kroto, Robert Curl et Richard Smalley (ils ont obtenu collectivement le prix Nobel de chimie en 1996 pour leurs travaux sur les fullerènes).
En 1990, Wolfgang Kraetschmer et Don Huffman découvrent un procédé permettant de synthétiser des quantités importantes de fullerènes, permettant à la recherche de travailler sur des échantillons plus significatifs.
Les nanotubes eux-mêmes ont été découverts en 1991 par Sumio Iijima. Ils sont obtenus par évaporation de carbone (du graphite, le plus souvent) avec un arc électrique dans une atmosphère d'hélium. Dans les premiers temps, la haute température (jusqu'à 6000°C) 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), mais la mise au point d'autres techniques à partir de 1992, comme l'adjonction de métaux catalyseurs durant la réaction, ou l'évaporation au laser, permit de faire baisser la température de la réaction à 1 200°C.
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 large 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.
Structure
Il existe deux types de nanotubes de carbone :
- les nanotubes de carbone monofeuillets, en anglais Single Wall Carbon Nanotubes (SWNT)
- les nanotubes de carbone multifeuillets, en anglais Multi Wall Carbon Nanotubes (MWNT)
Nanotubes de carbone monofeuillets (SWNT)
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
L'enroulement consiste à superposer deux hexagones du feuillet de graphène. C'est le choix de ces deux hexagones qui va déterminer le diamètre du nanotube ainsi que son hélicité (θ). Pour définir cette hélicité, on prend une direction de référence parallèle à un côté d’un hexagone et on mesure l’hélicité comme l’angle entre l’axe du cylindre formé et cette direction de référence. De ce fait, l’angle θ varie de 0 à 30° compte tenu de la symétrie du réseau hexagonal. Cet angle permet donc de classer les nanotubes de carbone en différentes familles selon leur hélicité. On obtient deux grandes familles de nanotubes : les nanotubes chiraux et les nanotubes non chiraux. Les nanotubes non chiraux sont ceux dont les hexagones de la partie supérieure du cylindre ont la même orientation que ceux de la partie inférieure. Dans ce cas lorsque θ vaut 30° on a un tube dit « chaise » et quand θ vaut 0° on a un tube dit « zig zag ». Lorsque les orientations des hexagones sont différentes (les rangées d’hexagones des parties supérieure et inférieure font entre elles un angle de valeur 2 θ) on a des tubes chiraux qui forment une vis d’Archimède.
Extrémités
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 de la plus petite 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.
On a donc montré que le nanotube de carbone est formé avec un feuillet de graphène auquel on a ajouté de la courbure simple pour rouler ce feuillet sur lui-même et des défauts de topologie pour fermer ses extrémités. Un nanotube a un diamètre compris entre 1 et 10 nanomètres pour une longueur de plusieurs micromètres et est de ce fait un objet de taille moléculaire et possédant un caractère monodimensionnel. (L'une des dimensions est bien plus grande que les deux autres, ici la longueur face au diamètre).
Nanotubes de carbone multifeuillets (MWNT)
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. Dans le modèle poupée russe, les plans de graphènes sont arrangées en cylindres concentriques. Dans le modèle parchemin, un seul feuillet de graphène est enroulé sur lui même, comme une feuille de papier.
Propriétés mécaniques
Les nanotubes se montrent intéressants par les principales caractéristiques suivantes :
Résilience
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 200 fois supérieure à l'acier pour un poids 6 fois moindre (à section équivalente).
Dureté
Certains nanotubes sont plus durs que le diamant, selon cette étude.
Propriétés électriques
- 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.
- Les nanotubes de carbone pourraient également permettre de réaliser des émetteurs de champs (d'électrons, en d'autres termes) à l'échelle du nanomètre.
- Les nanotubes de carbone sont supraconducteurs à basse température.
- Les nanotubes de carbones ont aussi des propriétés semi-conductrices; c'est à dire qu'il peuvent être isolants ou métalliques selon le champ électrique dans lequel ils se trouvent.
Propriétés chimiques
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.
Propriétés de luminescence
Des chercheurs d'IBM ont indiqué avoir réussi à faire émettre de la lumière par des nanotubes de carbone.
Fabrication
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 se révélait fastidieuse et longue.
Transparents, les nano-rubans ont d'autre propriétés assez spectaculaires. Après un simple lavage à l'éthanol, le ruban ne fait que 50 nano-mètres 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 chercheurs se sont même amusé à en faire un filament d'ampoule, sauf qu'à la place du filament, c'est un nano-ruban qui est utilisé.
Nanotube de nitrure de bore
En 1994, l'École polytechnique a réussi à produire des nanotubes à partir de nitrure de bore. Les propriétés de ces nanotubes sont encore imprécises. On sait pour l'instant qu'ils sont un isolant électrique, qu'ils pourraient avoir des propriétés de conduction de la lumière, ce qui pourrait les rendre utiles en optronique, et des propriétés d'émission de champs.
Autres nanotubes
Des nanotubes ont été produit à partir d'autres composés chimiques :
- Sulfures (molybdène, tungstène, cuivre)
- Halogénures (chlorure de nickel, chlorure de cadmium, iodure de cadmium)
Voir aussi
Lien externe
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