Qu’est-ce qu’un nanotube ?
Un nanotube est un matériau microscopique à structure tubulaire.
On les appelle nanotubes parce que la taille du tube est de l’ordre du nanomètre. Le terme fait généralement référence aux nanotubes de carbone, qui sont composés de carbone.
Les nanotubes de carbone ont été découverts en 1991 par le Dr Sumio Iijima (aujourd’hui professeur à vie à l’université de Meijo) et se composent d’une feuille d’anneaux de benzène sans espace entre eux, enroulés en forme cylindrique. D’autres tubes fins peuvent être insérés dans ce cylindre, une couche unique étant appelée nanotube de carbone à paroi simple (SWNT) et des couches multiples étant appelées nanotubes de carbone à parois multiples (MWNT).
Utilisations des nanotubes
Les nanotubes de carbone sont souvent utilisés dans le domaine des nanotechnologies. Grâce à leur conductivité élevée et à leur rapport d’aspect, ils peuvent former des réseaux de tubes conducteurs.
Grâce à leurs fortes liaisons chimiques, ils peuvent également être utilisés avec des polymères pour augmenter leur résistance mécanique, ce qui en fait de très bons matériaux thermoconducteurs. Leurs propriétés électroniques et mécaniques sont de plus mises en avant dans de nombreux domaines en tant que matériau fondamental pour les nanotechnologies. Les raquettes de tennis, les cadres de vélo, les haut-parleurs, les écouteurs et les fils sont autant d’exemples de produits pour lesquels ils sont déjà utilisés.
Principe des nanotubes
Les nanotubes de carbone sont des matériaux chimiquement très stables et extrêmement légers, avec une densité inférieure de moitié à celle de l’aluminium. Néanmoins, ils sont 20 fois plus résistants que l’acier, 1 000 fois plus résistants à la densité de courant que le cuivre et ont une conductivité thermique supérieure à celle du cuivre.
1. Nanotube de carbone mono-paroi (SWNT)
Les nanotubes de carbone mono-paroi (SWNT) sont des matériaux cylindriques sans soudure constitués d’une seule couche de graphène. La conductivité électrique des SWNT varie avec la bande interdite en fonction de l’enroulement et du diamètre des feuilles de graphène qui forment le tube, et peut présenter un comportement métallique ou semi-conducteur.
2. Nanotube de carbone double parois (DWNT)
Les DWNT (nanotubes de carbone double parois) ont une bande interdite adaptée aux transistors à effet de champ. Toutefois, leur comportement électrique est très complexe, ce qui limite leur utilisation à des domaines tels que l’électronique en couche mince. D’autres applications incluent les agents de contraste et les agents thérapeutiques dans les systèmes biologiques en fonctionnalisant sélectivement la couche externe.
3. Nanotube de carbone multi-parois (MWNT)
Les nanotubes de carbone multi-parois (MWNT) sont plus faciles à produire en masse et moins chers à l’unité que leurs homologues à mono-paroi (SWNT). La fonctionnalisation entraîne généralement le clivage des doubles liaisons du carbone et des modifications des propriétés, alors qu’avec les nanotubes de carbone multi-parois, seule la couche externe est modifiée, de sorte que les propriétés d’origine peuvent être conservées.
Des méthodes sont nécessaires pour modifier la surface des nanotubes de carbone dans le but d’introduire de nouvelles propriétés pour des applications spécifiques, telles que la solubilisation dans divers solvants, l’amélioration de la fonctionnalité, de la dispersibilité et de la compatibilité. On peut y parvenir en provoquant des réactions d’oxydation à l’aide d’acides, d’ozone, de plasma, etc. Par exemple, la formation de groupes hydroxyles et carboxyles crée une polarité qui peut favoriser la solubilité et augmenter l’affinité avec divers polymères.
Autres informations sur les nanotubes
1. Utilisations pratiques des nanotubes
L’AIST, en collaboration avec une société de recherche conjointe, a utilisé les résultats d’un projet NEDO pour commercialiser avec succès un joint torique. Ce dernier a été utilisé comme composant d’étanchéité pour les tuyaux et les conteneurs en utilisant des nanotubes de carbone (NTC) synthétisés par la méthode de supercroissance, ce qui en fait la première commercialisation (2018).
Les nanotubes peuvent être synthétisés par ablation laser, décharge d’arc et dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Parmi ces approches, la méthode CVD est la plus réalisable pour une production industrielle de masse.
La méthode de super croissance est une méthode de synthèse extrêmement innovante dans laquelle la durée de vie d’un catalyseur, qui est généralement de quelques secondes, peut être prolongée jusqu’à des dizaines de minutes en ajoutant une très petite quantité d’eau (de l’ordre du ppm) à l’atmosphère de synthèse de la méthode CVD. Cela permet de synthétiser de grandes quantités de nanotubes de carbone mono-paroi (SWCNT) avec une efficacité temporelle 3 000 fois plus rapide que les méthodes conventionnelles, à partir d’une très petite quantité de catalyseur. La méthode “Super Growth” est une méthode de synthèse extrêmement innovante.
Par rapport aux NTC classiques, les NTC obtenus par la méthode “Super Growth” présentent des caractéristiques telles qu’un “rapport d’aspect élevé”, une “grande pureté” et une “grande surface”, et devraient être appliqués à de nouveaux matériaux fonctionnels dotés de fonctions et de nouvelles caractéristiques. Plus précisément, cette méthode devrait être appliquée à des matériaux innovants tels que les matériaux en caoutchouc à haute performance et les matériaux hautement thermoconducteurs, sans oublier que la demande de ces matériaux devrait augmenter.
À l’avenir, des applications pratiques sont attendues dans le domaine de l’énergie, comme les électrodes de super-condensateurs et les matériaux d’électrodes de batteries secondaires, aussi bien dans le domaine de l’électronique, comme les circuits semi-conducteurs remplaçant le silicium et les circuits électriques flexibles que dans le domaine des matériaux à haute performance comme les films conducteurs transparents et les actionneurs. On pense également au domaine des matériaux structurels, comme les matériaux de renforcement de la carrosserie automobile et aux matériaux de renforcement de la carrosserie aéronautique. Des applications pratiques sont attendues.
2. Production de masse de nanotubes
La production de masse de nanotubes de carbone a été mise en place à l’aide de la méthode de “Super Growth” développée par l’Institut national des sciences et technologies industrielles avancées (AIST), sur la base des résultats d’un projet NEDO. ZEON Corporation a construit une usine de production de masse de nanotubes de carbone (NTC) à l’aide de la méthode de cette méthode, et la première usine de production de masse au monde est entrée en service en 2015.
3. Inconvénients des nanotubes
Les nanotubes de carbone ont été signalés comme étant cancérigènes et présentant d’autres risques lorsqu’ils sont inhalés par le corps humain. C’est pourquoi les risques pour le corps humain sont évalués par divers instituts de recherche.
Un autre problème est que les nanotubes de carbone sont plus chers que d’autres matériaux. On espère que la mise en place d’une technologie de production de masse permettra à l’avenir de faire baisser les prix.