NANOTUBES DE CARBONE
Propriétés et applications
La morphologie originale des nanotubes et certaines propriétés communes à toutes les familles chirales ont très rapidement été exploitées pour de premières applications industrielles. Au fur et à mesure de l’amélioration de la maîtrise de ces matériaux, d'autres, de plus en plus pointues, ont vu le jour, mettant à profit la grande variété des propriétés physiques des nanotubes de carbone et la possibilité de les exploiter par la sélection d’une espèce chirale.
Renfort mécanique
Les propriétés mécaniques des nanotubes de carbone se caractérisent par la combinaison d’une très faible densité et d’une très grande résistance mécanique (comparable à celle des meilleurs aciers, mais tout en étant 5 à 6 fois plus légers). Une illustration de cette propriété unique est la proposition (malgré tout peu réaliste) d’ascenseur spatial, les nanotubes de carbone étant un des seuls matériaux connus permettant d’envisager une construction atteignant plusieurs centaines de kilomètres de hauteur sans qu'elle s’effondre sous son propre poids.
Les premières applications des nanotubes ont concerné le renfort mécanique dans des matériaux composites nécessitant robustesse et légèreté, par exemple pour l’aéronautique ou les pales d’éoliennes. Grâce aux nanotubes métalliques, ces matériaux composites permettent aussi d’évacuer l’électricité statique. Néanmoins, ils sont encore loin d’atteindre les performances ultimes permises par les nanotubes car des faiblesses mécaniques apparaissent au niveau du polymère liant les nanotubes entre eux. Pour tirer le meilleur parti des propriétés intrinsèques des nanotubes, la stratégie est de synthétiser les tubes les plus longs possible et de les tisser sous forme de fibres. Cette stratégie est très performante, mais son coût la limite à des applications de niche.
Nanoélectronique
Schéma de principe d’un transistor à effet de champ dont le canal est constitué d’un nanotube de carbone
Encyclopædia Universalis France
Du point de vue électronique, les nanotubes semi-conducteurs peuvent servir de brique de base pour la fabrication de transistors à effet de champ ultraminiaturisés, qui sont au fondement de la microélectronique. De nombreuses démonstrations de laboratoire pour un et jusqu’à quelques centaines transistors ont été publiées, mais l’obtention d’un processeur complet bute sur le très haut niveau de pureté requis pour les nanotubes semi-conducteurs ainsi que sur la fabrication en très grande quantité sur une petite surface de ce type de transistors.
En revanche, les nanotubes sont d’ores et déjà utilisés (parfois en association avec d’autres formes de carbone) pour des applications moins exigeantes mais à fort impact économique comme les électrodes des batteries et des supercondensateurs, en particulier pour les véhicules électriques. On emploie ici indifféremment tout type de nanotubes et c’est leur grande surface spécifique (surface libre par gramme de matériau, intimement liée à la structuration nanométrique du matériau) qui est exploitée pour faciliter les échanges de charges avec l’électrolyte ainsi que leur bonne capacité de conduction thermique et électrique pour améliorer les performances et limiter les effets du vieillissement des composants de stockage d’électricité.
Utilisation comme capteurs
Principe d’un capteur à nanotube de carbone
Encyclopædia Universalis France
En raison de leur structure, tous les atomes des nanotubes monofeuillets sont situés en surface. De ce fait, ces objets sont extrêmement sensibles à leur environnement. Leur utilisation comme capteurs (détecteurs de gaz, de pression, de pH…) a très rapidement été explorée. Dans leur version la plus simple, ce sont les variations de la résistance électrique d’un réseau de nanotubes sous l’effet d’un stimulus (présence de la substance chimique ciblée, variation de pH…) qui sont mesurées. La principale difficulté réside dans la sélectivité de la réponse car deux stimuli très différents peuvent donner une réponse électrique semblable. Pour améliorer cette sélectivité,[...]
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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
Schéma de principe d’un transistor à effet de champ dont le canal est constitué d’un nanotube de carbone
Encyclopædia Universalis France
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