Les nanotubes de carbone

vendredi 30 avril 2010

Les nanotubes de carbone sont des feuillets de carbone (graphite) roulés sur eux-mêmes. En jouant sur les conditions de croissance, ils s’organisent de façon différente, en cordes, ou en fleurs dont la forme rappelle celle des coraux.

Introduction

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Enroulement d’une feuille de graphène
image : Chris Ewels
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Qu’est ce qu’un nanotube de carbone ? Une des formes les plus communes du carbone est le graphite. Il est formé d’un empilement de plans où les atomes de carbone forment un réseau hexagonal en nid d’abeilles (semblable à un grillage). Les nids d’abeilles en cire ont la même structure en 1 million de fois plus gros. Si on prend un de ces plans (c’est une feuille de graphène) et qu’on le roule comme une feuille de papier à cigarette, on forme un nanotube. Il y a plusieurs façons de faire la jointure entre les deux cotés. C’est pour cette raison qu’il existe plusieurs familles de nanotubes de carbone : les « zig-zag », les « fauteuils (ou chaises) » et les « chiraux » que vous pouvez visualiser dans cette animation. En pratique, seules les propriétés électriques changent d’une famille à une autre. [1]. En effet, tous les « fauteuils » sont d’excellents conducteurs, les « zig-zag » et les « chiraux » quant à eux sont faiblement semi-conducteurs. Suivant la taille de la feuille de graphène de départ, on va obtenir des tubes de différents diamètres. Ces tubes peuvent être enfilés les uns dans les autres à la façon de poupées russes. On obtient ainsi des nanotubes multi-parois. Il a été récemment montré que ces tubes pouvaient tourner les uns dans les autres sans friction : ils constituent des roulements nanométriques « parfaits ».

Malgré leurs faibles diamètres, on peut « photographier » ces nanotubes : la microscopie électronique utilise un faisceau d’électrons de grande vitesse pour former une image de nano-objets exactement comme un appareil photo utilise la lumière (qui est elle un faisceau de photons). Une autre méthode consiste à faire une image « topographique » à l’aide d’une nano-pointe que l’on déplace à la surface du nanotube. Cette nano-pointe détecte la force produite par les atomes de carbone à la surface du nanotube. Il est ensuite assez facile de mesurer le déplacement que les atomes induisent sur la pointe. Dans son principe, cette microscopie à force atomique ressemble à une platine de lecture d’un microsillon : une pointe détecte les variations de hauteur d’un sillon pour le transformer en son.

image d’un nanotube multi-parois (10 feuillets)image d’un nanotube mono-paroiimage d’un nanotube par microscopie à force atomique
nanotube multiparoi en microscopie électronique nanotube monoparoi en microscopie électronique Image d'un nanotube en microscopie à force atomique

L’holographie électronique a permis de faire des image du champ électrique produit par un nanotube. Ces images révèlent que le champ électrique à leur extrémité est très élevé. [2] On s’en sert comme une source ponctuelle et intense d’électrons, une technologie intéressante pour fabriquer des écrans flexibles de télévision.

Croissance

De part leur forme tubulaire, les nanotubes de carbone forment des fibres très longues, typiquement des dizaines ou des centaines de microns. Ce sont des nano-cheveux qui vont s’organiser en cordes et en structures organisées. La forme et l’aspect de ces structures peut être contrôlée par les conditions de croissance. Les formes qu’on obtient sont d’une grande variété comme l’illustrent ces images. Certaines d’entre elles ressemblent à des coraux. Ce n’est pas un hasard puisque les processus qui contrôlent leurs croissances sont semblables.

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croissance à partir de centres lithographiés
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croissance auto-organisée de nanotubes
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Coraux
Les coraux sont des organismes vivants : on les rencontre sous des formes très variées : certaines d’entre elles sont dendritiques

Les applications des nanotubes de carbone


[1] Cette faible différence entre les différentes classes de nanotubes présente un gros défaut : il est très difficile de les trier pour obtenir des nanotubes purement conducteurs, ou d’un diamètre donné. Une meilleure maîtrise de la croissance va être indispensable pour atteindre une telle maîtrise

[2] Il est de l’ordre du potentiel appliqué au nanotube (quelques volts) que divise son rayon de courbure (un nanomètre) : un tel champ électrique (dix millions de volts par centimètre) est suffisant pour extraire les électrons du nanotube (par effet tunnel).


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Gérard da Costa, Groupe de Physique des (...)

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