Les nanotubes de carbone

1. Les nanotubes de carbone Année académique 2004-2005

2. Plan • Présentation des NTC • Structure des NTC • Synthèse des NTC (Haute et moyenne T°) • Auto-assemblage des NTC • Propriétés mécaniques, électriques, électroniques, optiques, chimiques et thermiques • Applications

3. Nanotubes de carbone • Découvert en 1991 par Iijima. • Plusieurs mm de longueur et nm de diamètre. • Structure cristalline de forme tubulaire, creuse et close. • Atomes disposés en hexagones

4. Structure des NTC • Enroulement d’un plan d’hexagones de façon à former un cylindre = superposer 2 hexagones. • Fermeture: introduire un défaut de courbure (pentagone).

5. Structure des NTC • Hélicité : fonction des 2 hexagones superposés. Influe directement sur la structure du NTC.

6. Synthèse des NTC • Existence à l’état naturel? • Objectifs : produire des nanotubes à grande échelle et de façon contrôlée. • Synthèse à haute température. • Synthèse à moyenne température.

7. Synthèse à haute température • Evaporer le carbone graphite et le condenser. Besoin d’un fort gradient de température et d’un gaz inerte( ex: He) • Arc électrique

8. Synthèse à haute température • Ablation laser • Réacteur solaire

9. Synthèse à moyenne température (500° à 1100°C) • Adaptation de la synthèse des fibres de carbones. • Décomposer un gaz de carbone à la surface d’un catalyseur métallique. • Précipitation du carbone à la surface. • La condensation donne des structures tubulaires.

10. Auto-assemblage : NTC multifeuillets • Nanotubes multifeuillets • Tubes s’emboîtent les uns dans les autres • Nombre de feuillets et diamètres sont variables

11. Auto-assemblage: empilements périodiques • Empilements périodiques • Les tubes s’empilent, formant un système périodique de symétrie triangulaire. • Plusieurs dizaines par faisceau. • Diamètres fonction de la synthèse du NTC

12. Propriétés • Difficile de manipuler des nanotubes seuls et de réaliser des mesures de leurs propriétés • Etudes basées sur des modèles théoriques • Possible de mesurer quelques propriétés d’un seul nanotube

13. Propriétés d’un seul nanotube • Nanotubes séparés pour éviter une influence mutuelle • Mesure de différentes propriétés grâce à un AFM (Atomic Force Microscope) ou un MET (un microscope électronique à transmission) • Identification du nanotube seul (structure) par la spectroscopie Raman

14. Propriétés mécaniques Propriétés exceptionnelles Des centaines de fois plus résistants que l'acier pour un poids 6 fois moindre (à section équivalente) Certains nanotubes sont plus durs que le diamant

15. Propriétés mécaniques • Très grand module d’Young dans leur direction axiale • Environ 1 TPa pour nanotube individuel de carbone • La limite de rupture : aux alentours des 150 GPa • Très flexibles en raison de leur grande longueur(courbure réversible jusqu'à un angle critique qui atteint 110° pour un tube monofeuillet)

16. Propriétés mécaniques • Le module dépend de la taille et des indices (n,m) du nanotube • De 1.22 TPA pour les tubes (10,0) et (6,6) à 1.26 TPa pour les nanotubes mono-feuillets larges (20,0). • 1.09 pour un tube générique

17. Propriétés mécaniques • Métaux purs: Aluminium: 69 000Mpa, Titane: 116 000 Mpa • Alliages: acier de construction: 210 000 MPa Cuivre laminé U4 (Recuit): 90 000 MPa, fontes: 83 à 170 000 • Béton: 27 000 MPa, Diamant (C)  1 000 000 MPa, verre: 69 000 MPa, Chêne: 12 000 MPa • Caoutchoucs: 700 à 4 000 MPa,  190 000 Kevlar 34 500 • Nanotubes (Carbone):1 100 000Mpa

18. Propriétés mécaniques • Cylindre creux dont le diamètre extérieur serait de 10 cm et la paroi de 4 cm d'épaisseur, reliant deux murs distants de 2 mètres: si le cylindre était aussi rigide qu'un nanotube 10 millions de fois plus petit que lui, sous un poids de 1000 tonnes il ne fléchirait en son centre que d'un centimètre 2 m 0.1 m

19. Propriétés mécaniques • Reste à trouver maintenant les moyens de conserver ces propriétés mécaniques de rigidité et de résistance à la rupture à l'échelle macroscopique • Propriétés finales dépendantes de la longueur des nanotubes assemblés, de la perfection de leur alignement et de la manière dont on arrivera à les lier

20. Propriétés optiques • Fluorescence dans le proche infrarouge, domaine spectral dans lequel les tissus humains et les fluides biologiques sont transparents et ne fluorescent généralement pas • Détection des nanotubes dans les tissus biologiques(marqueurs en imagerie médicale) • Etude actuelle sur la nocivité pour les cellules vivantes

21. Propriétés électriques • Résistivité de fils de nanotubes : environ 10-4 Ω.cm à 300 K (record) (Ag: 63. 10-4 Ω.cm, Cu:59. 10-4 Ω.cm) • Très hautes densités de courants jusque 1013 A/cm2 • Supraconducteurs à basse température • Emetteurs de champs (d'ondes) à l'échelle du nanomètre • Usure assez rapide: émission de façon relativement stable pendant 100 heures

22. Propriétés électroniques • nanotubes métalliques ou semi-conducteurs • Les indices m,n déterminent le comportement métallique ou semi-conducteur • Les tubes zigzag (n,0) sont métalliques si n/3 est un entier, et semi-conducteurs dans le cas contraire • Les tubes (n,m) sont métalliques seulement si (2n+m)/3 est entier

23. Propriétés chimiques • Meilleure réactivité chimique que celle des feuilles de graphites • Contrôle la solubilité des nanotubes en modifiant sa taille et ses extrémités • Modifications possibles si le nanotube assez pur (filtration et traitements acides) • Structures creuses remplies avec d'autres composés chimiques: nanofils • Insolubles en solution aqueuse

24. Propriétés thermiques • La conductivité thermique des nanotubes de carbone dépend de la température • Valeurs comparables au diamant ou à une couche de graphite

25. Propriétés thermiques • La conductivité thermique d’un fil de nanotubes de carbone varie entre 3000 et 37000 W/m-K

26. Applications Stockage d’énergie Électronique moléculaire Sonde nanométrique et capteurs. Matériaux composites Vision d’avenir

27. Stockage d’énergie Avantage du nanotube pour le stockage : • Petites dimensions • Surface lisse • Caractéristiques parfaites de la surface • Transfert d’électrons le plus rapide

28. Types de stockage • Hydrogène (par effet capillaire) • Lithium (pour batteries de grande capacité) • Capacités Electrochimiques (condensateurs)

29. Électronique moléculaire • Le nanotube peut se comporter comme un transistor • Sa conductivité varie de conducteur à semi-conducteur • Utilisation dans une puce électronique

30. Sonde nanométrique et capteurs. • Palpeur pour Microscope à force atomique • Résolution améliorée • Pas de risque de rupture de la pointe

31. Sonde nanométrique et capteurs • Réseau de NTC pour analyser les déformations d’une structure en temps réel. • Feuilles de NTC utilisée comme actuateurs. « Muscles artificiels » • Capteur chimique, en présence de certain composé la conductivité est modifiée.

32. Matériaux composites • Utilisations des NTC comme renforcement dans des composites de haute résistance, faible poids et haute performance. • NTC utilisés comme fibre dans une matrice de polymère. • Problème dû au diamètre du NTC de l’ordre de grandeur des molécules du polymère. • Agrégation parasite des NTC

33. L’ascenseur spatial