NANOTUBES DE CARBONE
Synthèse et purification des nanotubes de carbone
Les méthodes utilisées pour produire des nanotubes se répartissent en trois grandes familles.
Les premiers nanotubes ont été obtenus par la méthode de l’arc électrique. Celle-ci consiste à faire passer un fort courant électrique entre deux électrodes de graphite sous vide. Les nanotubes sont récupérés dans la matière pulvérulente qui se dépose sur l’électrode négative. Cette méthode est peu sélective et nécessite des étapes de purification par acide pour éliminer les coproduits (carbone amorphe, fullerènes, résidus métalliques…), ce qui détériore la qualité finale du matériau.
Une deuxième méthode consiste en l’ablation d’une cible de graphite dopée avec des impuretés métalliques (servant de catalyseur) par des impulsions laser intenses. Cette méthode produit des nanotubes de haute qualité cristalline, mais avec un faible rendement.
Enfin, la dernière approche, dite de dépôt chimique en phase vapeur (CVD pour chemicalvapourdeposition), est de loin la plus répandue. Elle consiste à obtenir la décomposition d’un gaz carboné – comme le méthane (CH4), le monoxyde de carbone (CO) ou l’éthanol (C₂H₆O) – sur des nanoparticules métalliques catalytiques (cobalt, fer ou divers alliages) à une température de l’ordre de 800 °C. Cette technique permet un meilleur contrôle de la pureté des nanotubes et est adaptée à la production de masse pour les applications industrielles. Les recherches portent sur la possibilité de rendre la synthèse sélective en une espèce chirale (n,m) précise ou permettant au moins d’obtenir spécifiquement les familles métalliques ou semi-conductrices.
En raison de la faible sélectivité des méthodes de croissance actuelles, des techniques ont été développées pour trier les espèces métalliques ou semi-conductrices. Elles ont connu des progrès spectaculaires dans les années 2010 et font que l’on peut désormais disposer de matériaux de très grande pureté (jusqu’à 99,99 %) et même isoler une espèce chirale (n,m) précise, voire séparer les deux énantiomères (n,m) et (m,n).
Différentes approches sont possibles pour ce tri parmi lesquelles la chromatographie sur colonne et l’ultracentrifugation. Néanmoins, la méthode la plus efficace, y compris sur de grandes quantités, utilise l’enrobage sélectif des nanotubes dans certains surfactants (molécules comme celles composant un savon, qui facilitent une mise en suspension) dont la différence d’affinité pour divers solvants permet d’obtenir la migration sélective entre deux phases liquides (méthode ATPS, pour Aqueous Two Phase Separation). De façon notable, on compte parmi les polymères capables de s’enrouler autour des nanotubes les monobrins d’ADN, dont la séquence (l’ordre des nucléotides) offre une sélectivité programmable parmi les espèces chirales.
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Écrit par
- Christophe VOISIN : docteur en physique, professeur des Universités, université Paris cité, école normale supérieure
Classification
Médias
Structure d’un nanotube de carbone monofeuillet
Fabien Vialla, laboratoire de physique de l'École normale supérieure
Enroulement d’un nanotube de carbone monofeuillet
Encyclopædia Universalis France
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Encyclopædia Universalis France
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