Nanotube de carbone

Les nanotubes de carbone (NTC) sont des allotropes de carbone à nanostructure cylindrique. Ces molécules de carbone cylindriques ont des propriétés inhabituelles, qui sont précieuses pour la nanotechnologie, l’électronique, l’optique et d’autres domaines de la science et de la technologie des matériaux. En raison de la résistance et de la rigidité exceptionnelles du matériau, les nanotubes ont été construits avec un rapport longueur sur diamètre allant jusqu’à 132 000 000: 1, ce qui est nettement plus grand que pour tout autre matériau.

De plus, en raison de leur conductivité thermique, de leurs propriétés mécaniques et électriques extraordinaires, les nanotubes de carbone trouvent des applications en tant qu’additifs pour divers matériaux de structure. Par exemple, les nanotubes forment une infime partie du (des) matériau (s) dans certaines battes de baseball (principalement en fibre de carbone), clubs de golf, pièces de voiture ou en acier damas.

Les nanotubes appartiennent à la famille structurale des fullerènes. Leur nom provient de leur longue structure creuse dont les parois sont constituées de feuilles de carbone épaisses d’un atome, appelées graphène. Ces feuilles sont laminées à des angles spécifiques et discrets (« chiraux »), et la combinaison de l’angle et du rayon de laminage détermine les propriétés du nanotube. par exemple, si la coque d’un nanotube est un métal ou un semi-conducteur. Les nanotubes sont classés en nanotubes à paroi unique (SWNT) et en nanotubes à paroi multiple (MWNT). Les nanotubes individuels s’alignent naturellement dans des « cordes » maintenues ensemble par les forces de van der Waals, plus spécifiquement par pi-empilement.

La chimie quantique appliquée, en particulier l’hybridation orbitale, décrit le mieux la liaison chimique dans les nanotubes. La liaison chimique des nanotubes implique entièrement des atomes de carbone hybrides sp2. Ces liaisons, similaires à celles du graphite et plus solides que celles des alcanes et du diamant (qui utilisent des atomes de carbone hybrides sp3), confèrent aux nanotubes une résistance unique.

Types de nanotubes de carbone et structures associées
Il n’existe pas de consensus sur certains termes décrivant les nanotubes de carbone dans la littérature scientifique: les termes « paroi » et « paroi » sont utilisés en combinaison avec « simple », « double », « triple » ou « multi » et la lettre C est souvent omis dans l’abréviation; par exemple, nanotube de carbone à parois multiples (MWNT).

Simple paroi

où a = 0,246 nm.

Les SWNT constituent une variété importante de nanotubes de carbone car la plupart de leurs propriétés changent de manière significative avec les valeurs (n, m) et cette dépendance est non monotone (voir le graphe de Kataura). En particulier, leur bande interdite peut varier de zéro à environ 2 eV et leur conductivité électrique peut présenter un comportement métallique ou semi-conducteur. Les nanotubes à paroi unique sont probablement des candidats pour la miniaturisation de l’électronique. Le fil électrique est la pierre angulaire de ces systèmes. Les SWNT dont le diamètre est de l’ordre du nanomètre peuvent être d’excellents conducteurs. Une des applications utiles des SWNT réside dans le développement des premiers transistors intermoléculaires à effet de champ (FET). La première porte logique intermoléculaire utilisant des FET SWCNT a été réalisée en 2001. Une porte logique nécessite à la fois un p-FET et un n-FET. Comme les SWNT sont des p-FET lorsqu’ils sont exposés à l’oxygène et aux n-FET, il est possible d’exposer la moitié d’un SWNT à l’oxygène et de protéger l’autre moitié de celui-ci. La SWNT résultante agit comme une porte non logique avec des FET de type p et de type n dans la même molécule.

Les prix des nanotubes à paroi simple ont baissé d’environ 1500 dollars par gramme à partir de 2000 à des prix de détail d’environ 50 dollars par gramme de tungstène produit à 40–60% en poids à la date de mars 2010. En 2016, le prix de détail de 75 % en poids de SWNT étaient 2 $ par gramme, assez bon marché pour une utilisation généralisée. Selon le rapport The Global Market for Carbon Nanotubes, les SWNT devraient avoir un impact considérable sur les applications électroniques d’ici 2020.

Multi-parois
Les nanotubes à parois multiples (MWNT) sont constitués de plusieurs couches laminées (tubes concentriques) de graphène. Deux modèles peuvent être utilisés pour décrire les structures de nanotubes à parois multiples. Dans le modèle Russian Doll, les feuilles de graphite sont disposées en cylindres concentriques, par exemple un nanotube (0,8) à paroi unique (SWNT) dans un nanotube à paroi unique plus grand (0,17). Dans le modèle Parchemin, une seule feuille de graphite est enroulée sur elle-même, ressemblant à un parchemin de parchemin ou à un journal roulé. La distance entre les couches dans les nanotubes à parois multiples est proche de la distance entre les couches de graphène dans le graphite, environ 3,4 Å. La structure de la poupée russe est observée plus fréquemment. Ses coques individuelles peuvent être décrites comme des SWNT, qui peuvent être métalliques ou semi-conductrices. En raison de la probabilité statistique et des restrictions sur les diamètres relatifs des tubes individuels, l’un des réservoirs, et donc le MWNT entier, est généralement un métal à gap nul.

Les nanotubes de carbone à double paroi (DWNT) forment une classe particulière de nanotubes car leur morphologie et leurs propriétés sont similaires à celles des SWNT, mais ils sont plus résistants aux produits chimiques. Ceci est particulièrement important lorsqu’il est nécessaire de greffer des fonctions chimiques à la surface des nanotubes (fonctionnalisation) pour ajouter des propriétés au CNT. La fonctionnalisation covalente des SWNT rompra certaines doubles liaisons C = C, laissant des « trous » dans la structure du nanotube, modifiant ainsi ses propriétés mécaniques et électriques. Dans le cas des DWNT, seul le mur extérieur est modifié. La synthèse à l’échelle du gramme de DWNT a été proposée pour la première fois en 2003 par la technique CCVD, à partir de la réduction sélective de solutions d’oxydes dans le méthane et l’hydrogène.

La capacité de mouvement télescopique des coques internes et leurs propriétés mécaniques uniques permettront l’utilisation de nanotubes à parois multiples comme bras principaux mobiles dans les dispositifs nanomécaniques à venir. [Spéculation?] Force de rétraction résultant du mouvement télescopique provoqué par l’interaction Lennard-Jones entre les coques et sa valeur est d’environ 1,5 nN.

Jonctions et réticulation
Les jonctions entre 2 ou plusieurs nanotubes ont été largement discutées en théorie. De telles jonctions sont assez fréquemment observées dans les échantillons préparés par décharge à l’arc ainsi que par dépôt chimique en phase vapeur. Les propriétés électroniques de telles jonctions ont d’abord été examinées théoriquement par Lambin et ses collaborateurs, qui ont souligné qu’une connexion entre un tube métallique et un semi-conducteur représenterait une hétérojonction à l’échelle nanométrique. Une telle jonction pourrait donc former un composant d’un circuit électronique à base de nanotubes. L’image adjacente montre une jonction entre deux nanotubes à parois multiples. Les jonctions entre nanotubes et graphène ont été envisagées de manière théorique, mais n’ont pas été largement étudiées expérimentalement. De telles jonctions forment la base du graphène en pilier, dans lequel des feuilles de graphène parallèles sont séparées par des nanotubes courts. Le graphène en piliers représente une classe d’architectures de nanotubes de carbone en trois dimensions.

Récemment, plusieurs études ont mis en évidence la possibilité d’utiliser des nanotubes de carbone comme éléments de base pour la fabrication de dispositifs macroscopiques tridimensionnels tout carbone (> 100 nm dans les trois dimensions). Lalwani et al. ont rapporté un nouveau procédé de réticulation thermique initié par radical pour fabriquer des échafaudages macroscopiques, autonomes, poreux, tout en carbone, utilisant des nanotubes de carbone à paroi simple et à parois multiples comme blocs de construction. Ces échafaudages possèdent des pores macro, micro et nano structurés et la porosité peut être adaptée à des applications spécifiques. Ces échafaudages / architectures tout carbone en 3D peuvent être utilisés pour la fabrication de la prochaine génération de stockage d’énergie, de supercondensateurs, de transistors à émission de champ, de catalyse à haute performance, de photovoltaïque ainsi que de dispositifs et implants biomédicaux.

Autres morphologies
Les nanobuds de carbone sont un matériau nouvellement créé combinant deux allotropes de carbone précédemment découverts: les nanotubes de carbone et les fullerènes. Dans ce nouveau matériau, des « boutons » de type fullerène sont liés par covalence aux parois latérales extérieures du nanotube de carbone sous-jacent. Ce matériau hybride possède des propriétés utiles à la fois de fullerènes et de nanotubes de carbone. En particulier, ils se sont avérés être de très bons émetteurs de champ. Dans les matériaux composites, les molécules de fullerène attachées peuvent fonctionner comme des ancres moléculaires empêchant le glissement des nanotubes, améliorant ainsi les propriétés mécaniques du composite.

Un peapod de carbone est un nouveau matériau de carbone hybride qui piège le fullerène dans un nanotube de carbone. Il peut posséder des propriétés magnétiques intéressantes avec chauffage et irradiation. Il peut également être appliqué en tant qu’oscillateur lors d’investigations et de prévisions théoriques.

En théorie, un nanotore est un nanotube de carbone plié en un tore (forme de beignet). Les nanotori devraient avoir de nombreuses propriétés uniques, telles que des moments magnétiques 1000 fois plus importants que prévu pour certains rayons spécifiques. Les propriétés telles que le moment magnétique, la stabilité thermique, etc. varient considérablement en fonction du rayon du tore et du rayon du tube.

Les nanotubes de carbone graphénisés sont un hybride relativement nouveau combinant des foliates graphitiques cultivés le long des parois latérales de NTC à parois multiples ou à la manière du bambou. La densité foliaire peut varier en fonction des conditions de dépôt (par exemple, la température et le temps), leur structure allant de quelques couches de graphène ( 1 mm dans les trois dimensions). Lalwani et al. ont rapporté un nouveau procédé de réticulation thermique initié par radical pour fabriquer des échafaudages macroscopiques, autonomes, poreux, tout en carbone, utilisant des nanotubes de carbone à paroi simple et à parois multiples comme blocs de construction. Ces échafaudages possèdent des pores macro, micro et nano structurés et la porosité peut être adaptée à des applications spécifiques. Ces échafaudages / architectures tout carbone en 3D peuvent être utilisés pour la fabrication de la prochaine génération de stockage d’énergie, de supercondensateurs, de transistors à émission de champ, de catalyse à haute performance, de photovoltaïque ainsi que de dispositifs et implants biomédicaux.

Les CNT sont des candidats potentiels pour les futurs circuits via et câblés dans des circuits VLSI à l’échelle nanométrique. En éliminant les problèmes de fiabilité de l’électromigration, qui préoccupent les interconnexions en Cu actuelles, les NTC isolés (à paroi unique et à parois multiples) peuvent supporter des densités de courant supérieures à 1 000 MA / cm 2 sans dommages causés par l’électromigration.

De grandes quantités de NTC purs peuvent être transformées en une feuille ou un film autoportant grâce à la technique de fabrication SETC (coulée sur bande à technologie de surface), qui est une méthode évolutive de fabrication de feuilles souples et pliables dotées de propriétés supérieures. Un autre facteur de forme signalé est la fibre de CNT (aka filament) par filage humide. La fibre est soit directement issue du pot de synthèse, soit à partir de NTC pré-fabriqués dissous. Des fibres individuelles peuvent être transformées en un fil. Outre sa solidité et sa flexibilité, le principal avantage est de fabriquer un fil électriquement conducteur. Les propriétés électroniques de chaque fibre de CNT (c’est-à-dire le faisceau de chaque CNT) sont régies par la structure bidimensionnelle des CNT. Les résistances mesurées aux fibres ont été mesurées à un ordre de grandeur supérieur à celui des conducteurs métalliques à 300K. En optimisant davantage les fibres de NTC et de NTC, des fibres de NTC dotées de propriétés électriques améliorées pourraient être développées.

Les fils à base de CNT conviennent aux applications du traitement de l’énergie et de l’eau électrochimique lorsqu’ils sont revêtus d’une membrane échangeuse d’ions. En outre, les fils à base de CNT pourraient remplacer le cuivre en tant que matériau d’enroulement. Pyrhönen et al. (2015) ont construit un moteur utilisant un enroulement CNT.

Sécurité et santé
L’Institut national pour la sécurité et la santé au travail (NIOSH) est le principal organisme fédéral américain à mener des recherches et à donner des orientations sur les implications et les applications de la nanotechnologie pour la sécurité et la santé au travail. Les premières études scientifiques ont montré que certaines de ces nanoparticules pourraient présenter un risque plus grand pour la santé que la plus grande quantité en vrac de ces matériaux.En 2013, le NIOSH a publié un Current Intelligence Bulletin détaillant les dangers potentiels et la limite d’exposition recommandée pour les nanotubes et les fibres de carbone.

Depuis octobre 2016, les nanotubes de carbone à paroi unique ont été enregistrés dans le cadre de la réglementation REACH (Enregistrement, évaluation, autorisation et restrictions des substances chimiques) de l’Union européenne, basée sur l’évaluation des propriétés potentiellement dangereuses des SWCNT. Sur la base de cet enregistrement, la commercialisation des SWCNT est autorisée dans l’UE jusqu’à 10 tonnes métriques. Actuellement, le type de SWCNT enregistré par REACH est limité au type spécifique de nanotubes de carbone à paroi unique fabriqués par OCSiAl, qui a soumis la demande.