LES NANOTUBES DE CARBONE
Structure :
Tout d’abord on distingue deux type de nanotube de carbone :
-Les nanotubes de carbone monofeuillets.
-Les nanotubes de carbone multifeuillets.
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Nanotube de carbone monofeuillet :
D’abord la structure d’un nanotube de carbone monofeuillet est une feuille de graphène enroulée sur elle-même et fermée à ces extrémités par une demi-sphère. On peut enrouler la feuille de graphène de différentes façons sur elle-même, ces différentes façons permettent l’apparition d’un paramètre nommer l’hélicité qui permet à la structure de rester souder. Cette hélicité permet aussi la différenciation de différents types de nanotubes de carbone qui sont le zig-zag, chiral ou chaise.
Pour la fabrication d’un tube il faut tracer 2 vecteurs directeur ici a1 et a2, puis on introduit un vecteur de chiralité (ici nommé Ch) c’est l’axe selon lequel le nanotube s’enroule. Le vecteur de chiralité avec m et n les scalaires tels que :
Ch= n a1+ ma2
Structure d'une feuille de graphène avec les différents angles d'enroulements
Selon ces deux scalaires (m et n), on peut créer 3 types d’enroulement qui feront 3 types de de nanotubes différents :
-Lorsque m=0 le nanotube est de type “zig-zag”
-Lorsque m=n le nanotube est de type “armchair ou créneau”
-Dans tous les autres cas le nanotube est de type “chiral”
Les différents types de nanotubes de carbone connus à nos jours
Ces différences d’hélicité permettront au nanotube de carbone d’avoir différentes propriétés comme par exemple la conductivité en électricité les nanotubes de carbones de type “armchair” et d’indice (n,m) ne sont métalliques si le rapport (2n+m) n’est pas un multiple de trois, dans le cas où le rapport (2n+m) n’est pas multiple de trois le nanotube devient semi-conducteur. On peut donc en conclure que le nanotube “armchair” sera toujours métalique (car 2m+m sera toujours un multiple de 3) mais les nanotubes “zig-zag” ou “chiral” seront soit métalique soit conducteur.
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Les nanotubes de carbones multifeuillets :
Il existe deux modèles pour les nanotubes multifeuillets sachant que ces nanotubes sont constitués de plusieurs feuillets de graphènes enroulés les uns aux autres:
-Il y a le modèle Poupée Russe qui est un emboîtement de feuillets de graphène.
Nanotube de carbone monofeuillet puis multifeuillet
-Il y a le modèle parchemin qui est l’enroulement d’une seule feuille de graphène.
Les nanotubes de carbone ont plusieurs structures assez complexes et de natures différentes mais possèdent aussi différentes propriétés intéressantes.
La synthèse :
Il existe que 2 méthodes de synthèse de nanotube connut à nos jours : les synthèses à haute températures et les synthèses à moyenne température ou CVD (Chemical Vapor Deposition)
I La méthode à haute température :
La synthèse à haute température est la meilleure pour obtenir des nanotubes monofeuillets. Le concept de base revient, à faire évaporer du carbone (venant du graphite le plus souvent) dans des conditions de haute température et de haute pression
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La méthode par ablation Arc éléctrique :
Cette méthode consiste à établir un courant éléctrique entre deux éléctrodes qu’on nomme anode et cathode. L’anode se consume pour former un plasma qui peut atteindre la température de 6000°C. Le plasma va se condenser sur l’autre électrode cathode, en matière caoutchouteuse et composée de filaments c’est ici qu’on retrouve les nanotubes de carbone. Ce procédé est assez fiable et peu coûteux. Néanmoins on a arrive assez peu à contrôler le résultat dû à la complexité du processus . De plus, il faut réussir à dissocier les nanotubes de carbones de la masse caoutchouteuse.
Ablation par arc éléctrique
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La méthode par ablation Laser :
L’ablation par laser consiste à vaporiser une cible ici le graphène par un rayonnement laser de forte énergie pulsé ou continu. La cible de graphène sur un collecteur refroidi pour la récupération. Ce procédé permet un contrôle plus facile et l'obtention seule du produit souhaitée mais reste coûteuse contrairement à l’ablation par arc éléctrique. Néanmoins la température par cette méthode est aux environs de 1200°C .
Ablation par laser
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La méthode par four solaire :
Cette méthode utilise le même concept que la synthèse par laser, en effet les rayons du soleil jouent le rôle de laser sont concentrés par le biais de miroirs sur une cible de graphite qui s’évapore. Cette méthode utilise une énergie renouvelable mais elle ne synthétise que 0.1g à 1g par expérience .
Ablation par four laser
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Avantages:
-Synthèse de nanotubes monofeuillets (alors qu'avec les autres méthodes on obtient uniquement des nanotubes multifeuillets, ou un mélange indissociable).
-Formation de produits très purs.
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Inconvénients:
-Aucun contrôle sur la longueur des nanotubes.
-Formation d’amas qu'il faut dissocier pour pouvoir les appliquer.
II La méthode par CDV, Chemical Vapor Deposition :
Cette méthode est la plus complexe parmi les autres types de synthèse, mais c’est aussi la plus prometteuse. Dans cette méthode on part d’un carbone liquide ou gazeuse auquel on ajoute un précurseur métallique le ferrocène (C5H10-Fe-C5H10) (parfois du nickelocène C5H10-Ni-C5H10). La solution en aérosol transformée en fines gouttelettes est alors transportée par un gaz noble (de l'argon en général) jusqu'à un four à une température comprise entre 750 °C et 900 °C. Les nanotubes vont ensuite se déposer sur une plaque de silicium utilisée pour faciliter la récupération des nanotubes, ou bien tout simplement sur la paroi en verre du four par exemple. On a l’impression que les nanotubes de carbone “poussent” sur ces supports. Les nanotubes de carbone synthétisés sont multifeuillets et sont écartés d’une distance d’environ 100 micromètre grâce à l’apport constant de nanotubes par aérosol ce qui les obligent à s’organiser de façon à utiliser le moins de place possible. Après cette réaction les nanotubes contiennent quelques impuretés qu’on éliminera en les faisant “recuire”, de plus cette étape permet au nanotube de carbone d’être plus uniforme, mieux structuré.
Four de la Chemical Vapor Deposition
Alignement des nanotubes de carbone
Propriétés :
Les nanotubes de carbone possèdent de nombreuses propriétés qui pourront à terme être utilisées dans différents domaines afin d’améliorer notre vie quotidienne.
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Propriétés mécaniques :
Les nanotubes de carbone ne sont constitués que d’atomes de carbone or il n’y a que des liaisons covalentes entre ces atomes, ces liaisons covalentes sont très solides et nécessitent une grande pression pour être brisées. Ces nanotubes sont donc 200 fois plus résistant grâce à leur structure et 6 fois plus léger que l’acier grâce à leur forme cylindrique. On arrive même à enrouler plusieurs nanotubes pour faire des cordes solides et légères sachant que les nanotubes de carbone multifeuillets sont plus résistant que les monofeuillets.
Représentation de certaines propriétés mécaniques des nanotubes de carbones
Grâce à ses propriétés mécaniques on prévoit d'insérer des nanotubes de carbones,dans des bâtiments pour les consolider, dans des fibres textiles pour augmenter leur résistance, dans tout type de véhicules terrestres ou aériens pour les rendre plus solides tout en diminuant leurs poids.
Il faut savoir que les nanotubes de carbones sont déjà utilisées de nos jours dans des vélos, raquettes de tennis et autres équipements sportifs bien qu’ils soient plus cher à cause de leur coût de fabrication. Si on couple les nanotubes avec les matériaux habituels cela les rend plus performant, c’est pour cela que le milieu sportif est vraiment intéressé par cette nouvelle technologie.
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Propriétés chimiques :
Les nanotubes sont des récipients idéaux dans le monde nanométrique, en effet grâce à leur structures creuses ils peuvent accueillir des espèces chimiques diverses. De plus ils sont peu réactifs et si on voulait les faire réagir, on devrait faire appel à des espèces fortement réactives. Grâce à ces propriétés on a vu l’apparition d’une chimie de greffage qui s’est fortement développée. De plus par leur petite taille ils peuvent être imperméables, les gouttes d’eau sont trop grosses pour pouvoir passer au travers d’eux lorsqu'ils sont disposés en “tapis de brosse”, en couplant cette disposition à des films transparents on peut envisager des vêtements imperméables.
De plus les nanotubes de carbones possèdent des propriétés électriques qui diffèrent selon leur angle d’enroulement (Hélicité), les nanotubes pourront être soit métaliques soit semi-conductrices.