NANOTUBES DE CARBONE

Les nanotubes de carbone sont de minuscules cylindres constitués uniquement d’atomes de carbone. Leur diamètre est compris typiquement entre 1 et 100 nanomètres (nm) tandis que leur longueur peut atteindre plusieurs millimètres. Leur structure atomique a été révélée en 1991 par le physicien japonais Sumio Iijima. Ils ont suscité très tôt un engouement considérable du fait de l’originalité de leurs propriétés dans des domaines aussi variés que l’électronique, l’optique, la mécanique et le biomédical, au point de devenir emblématiques des nanomatériaux. Si les développements théoriques et les études fondamentales ont connu un essor rapide, la maîtrise de leur pureté est vite apparue comme un verrou technologique important pour certaines applications industrielles. Par ailleurs, les nanotubes de carbone ont ouvert la voie vers la découverte d’une vaste famille de nanomatériaux apparentés tout d’abord avec le graphène, puis avec l’ensemble des cristaux « de Van der Waals », qui présentent une capacité à s’associer entre eux (grâce aux liaisons du même nom) pour former des matériaux artificiels offrant une variété infinie de propriétés.

Structure et propriétés physiques des nanotubes de carbone

La morphologie très particulière des nanotubes et en particulier leur très grand rapport d’aspect (longueur/diamètre > 1 000) est à l'origine de leurs nombreuses propriétés. Ces cylindres sont formés d’une ou plusieurs couches atomiques. On parle alors, respectivement, de nanotubes monofeuillets et multifeuillets (plusieurs cylindres emboîtés). Avec leurs atomes disposés en nid d’abeille (c’est-à-dire formant des hexagones) au sein de chaque couche, les nanotubes sont de très proches parents du graphène (constitué d’un unique plan atomique de carbone) et des fullerènes (ou cage moléculaire, dont l’emblématique C₆₀).

Les nanotubes peuvent être considérés comme de véritables cristaux miniatures dont les propriétés physiques peuvent être calculées par les techniques de la physique du solide, notamment la théorie des bandes – prévoyant les énergies possibles des électrons dans un solide –, qui permet de prédire, par exemple, le caractère métallique ou isolant d’un matériau, ou encore son aspect transparent ou coloré...

La géométrie exacte d’un nanotube monofeuillet est déterminée par deux paramètres : son diamètre et son angle d’enroulement ou angle chiral (angle entre l’axe du nanotube et les directions des hexagones de carbone). Cette géométrie peut aussi être résumée par la connaissance de deux nombres entiers (n,m), appelés indices chiraux, qui définissent ainsi différentes familles d’objets nommées « espèces chirales (n,m) ». De manière remarquable, les propriétés physiques des nanotubes dépendent considérablement de cette géométrie. En particulier, les nanotubes tels que la différence n – m est multiple de 3 sont métalliques (conducteurs de l’électricité) tandis que les autres (qui représentent donc statistiquement 2/3 des espèces de nanotubes) sont des semi-conducteurs (matériaux au fondement de l’électronique moderne). Par ailleurs, pour ces derniers, la largeur de la bande interdite (ou gap) varie comme l’inverse du diamètre et se situe typiquement autour d’un électronvolt (1 eV) pour un diamètre d’un nanomètre (1 nm). Cette caractéristique est une manifestation directe du confinement quantique des électrons à l’échelle nanométrique. Cette versatilité des propriétés à l’intérieur d’une même famille de matériaux est assez unique et est emblématique des nanosciences.

Les nanotubes multifeuillets quant à eux ont généralement un caractère métallique puisqu’il suffit qu’un des feuillets le soit (ce qui est statistiquement le plus probable) pour que l’ensemble le devienne.

Cette diversité de propriétés constitue[...]