Les applications des nanotubes de carbone

samedi 1er mai 2010

Les nanotubes de carbone, découvert en 1991 ne cessent de surprendre et d’émerveiller par leurs propriétés mécaniques et électriques. Ce sont des conducteurs parfaits susceptibles de faire des interconnections électriques parfaites et des sources d’électrons très intenses pour les téléviseurs. Pour leurs propriétés mécaniques, on pourra en faire des cordes dont la robustesse n’aura d’égale que la légèreté. Enfin en surface, ils constituent un revêtement hydrophobe exceptionnel.

L’effet lotus

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Dans les cultures et religions asiatiques le lotus symbolise la pureté. En effet, cette plante émerge des eaux les plus saumâtres et troubles en restant immaculée. Cette fleur sort de l’eau sans se mouiller, car ses feuilles disposent d’un exceptionnel mécanisme d’auto-nettoyage. Des nano-cristalloïdes recouvrent la surface des feuilles et transforment la pluie en gouttes qui perlent à sa surface emportant avec elles les particules de souillure.

En contrôlant les conditions de croissance ou par d’autres techniques, on sait organiser des nanotubes en « tapis brosse » : ce sont autant de pointes nanoscopiques analogues aux cristalloïdes des fleurs de lotus. Sous cette forme, on peut réaliser une surface auto-nettoyante à la manière du lotus.

Cet effet est illustré sur ces deux figures : à gauche un tapis de nanotubes a été préparé « en brosse ». A droite : une goutte d’eau déposée sur cette surface forme une perle sphérique qui roule sans mouiller les nanotubes.

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tapis brosse de nanotubes de carbone
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goutte flottant sur un tapis de nanotubes
Le menisque à leur contact est presque parfait

Un tel revêtement auto-nettoyant est très attractifs (vitre, vêtements...). Comme on sait préparer des films de nanotubes transparents, le potentiel de leur « effet lotus » est très prometteur.

Une corde rigide et légère : un ascenseur spatial ? Le diamant est la forme cristalline du carbone la plus emblématique. Sous cette forme, le carbone est très solide (à cause de la liaison covalente C-C). Le diamant est utilisé pour couper du verre, des aciers très rigides, du saphir etc. Par bien des aspects, les nanotubes de carbone sont encore plus rigides, malgré leurs structures creuses. A titre de comparaison, ils sont 20 fois plus rigides en traction que les aciers tout en étant dix fois plus léger. En contrôlant la croissance, les nanotubes peuvent être auto-organisés sous forme de cordes ou de fagots. Pour que cette corde ait la même rigidité que les nanotubes qui la composent, il faut tisser les nanotubes entre eux pour éviter qu’ils glissent les uns sur les autres. Avec des gaz très réactifs, on sait construire des liaisons covalentes très rigides entre les nanotubes donnant à l’ensemble une rigidité incomparable.

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Une vision futuriste
de l’ascenceur spatial envisagé par Richard Smalley

Une corde aussi rigide et légère permet d’arrimer un très gros objet avec une petite ficelle si fine et si légère qu’elle peut paraître insignifiante. Pourtant elle peut transformer des rêves en réalité. On se souvient du petit prince [1] qui en contemplant les étoiles rêve de pouvoir les accrocher à la terre à la façon d’un ballon attaché par une ficelle. S’il est illusoire d’accrocher une étoile ou même une planète avec une corde en nanotubes, il est pensable d’accrocher des satellites à la terre. Quelques chiffres placent bien la question : un gros satellite de télécommunication pèse une dizaine de tonnes, mais sur son orbite géostationnaire (à 60000 km de la terre) la gravité est dix fois plus faible et la force centrifuge compense la gravité : la tension s’exerçant sur un câble d’arrimage n’est donc pas très importante, disons quelques centaines de kilos. Compte tenu de sa rigidité exceptionnelle, une simple « ficelle » en nanotubes de carbone est capable de soutenir cette tension. Comme les nanotubes sont des objets creux, cette petite corde ne pèserait pas plus d’une centaine de kilos, malgré ses 60000 km de longueur. C’est pourquoi cette idée farfelue devient réaliste, alors que pour un câble d’acier 10 fois plus lourd et 20 fois moins rigide, c’est impossible !

Une fois quelques câbles mis en place entre la terre et le satellite, on peut imaginer les utiliser comme des câbles d’ascenseurs ou de téléphériques pour monter et descendre dans l’espace. Certes, il faudrait une bonne journée pour « monter », mais comparé à une fusée, c’est très calme et ca ne nécessite que très peu d’énergie.

Quelques applications des nanotubes

A l’électronique

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Ecran flexible exploitant des nanotubes
comme source "ponctuelle" d’électrons pour chaque pixel.

Un nanotube de carbone est un objet (presque) sans défaut : sa conductance est indépendante de sa longueur. Les nanotubes métalliques de type « fauteuil/chaise » sont des conducteurs parfaits. On peut imaginer les utiliser pour faire des interconnections en électronique. Néanmoins, comme on ne sait pas encore séparer les nanotubes fauteuils, des nanotubes chiraux et zig-zag, dont les propriétés sont beaucoup moins intéressantes, une telle application nécessite encore quelques développements [2]. Plus immédiate est l’utilisation des nanotubes de carbone comme source d’électrons intense pour des écrans plats flexibles. En effet, les images holographiques de nanotubes montre qu’ils se comportent comme des sources ponctuelles et intenses d’électrons lorsqu’on les porte à un potentiel. Les nanotubes sont autant de « pixels » qui peuvent servir à faire des images sur un écran. Plusieurs entreprises ont réalisés des démonstrateurs convaincants. Néanmoins, compte tenu des autres technologies en compétition (les diodes électro-luminescentes permettent aussi de faire des écrans flexibles) la durée de vie des écrans à nanotubes n’est pas encore suffisante.

Au vivant et à la médecine

Une structure tout carbone est bio compatible. On peut donc les utiliser comme nano-senseur pour détecter des objets biologiques en surveillant une propriété du nanotube facilement observable. Par ailleurs, leur structure creuse permet d’envisager leur utilisation comme vecteurs de médicament. Enfin, en greffant à leur surface des structures d’ATD, on peut envisager en faire des moteurs moléculaires artificiels. De tels moteurs pourraient être intégrer dans des respirateurs artificiels ou d’autres dispositifs palliant à une déficience fonctionnelle.


[1] Antoine de St Exupéry, Le Petit Prince, publié en 1943.

[2] La structure creuse des nanotubes permet facilement d’ajouter des donneurs à l’intérieur. Ce dopage permet de rendre tous les nanotubes conducteurs sans beaucoup dégrader leur conductance


Documents joints

OURJOUMTSEV Prix CNano-2009
OURJOUMTSEV Prix CNano-2009

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