les nanotubes de carbone

Classes Préparatoires à CPE-Lyon
Charlotte
Institution des Chartreux
DELALANDE
LA FONTAINE Arnaud
Sup E, groupe 37
Année 2004-2005
A l’attention de M.Bois et des membres du jury
LES NANOTUBES DE CARBONE
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Professeur accompagnateur : M.
Courbière
INTRODUCTION :
Le mot « supérieurs » apparaît souvent à propos des nanotubes de carbone
découverts par erreur il y a une quinzaine d’années. En effet, leur structures
exceptionnelles fascinent les scientifiques et leur potentiel d’exploitation est de plus
en plus prometteur.
Qu’est ce qu’un nanotube de carbone ?
Et s’il s’avère être extraordinaire,
l’enthousiasm e des scientifiques est-il justifié?
Après une présentation de leur structure remarquable, nous nous intéresserons aux
différentes méthodes d’élaboration de ces nanotubes. De plus, nous établirons le lien
entre leurs propriétés supérieures et leurs applications multiples.
I -PRESENTATION :
1.1) Définition :
Un nanotube de carbone peut être décrit comme un feuillet de graphite constitué
uniquement d’atomes de carbone placés au sommet d’un réseau hexagonal. Le
feuillet est roulé sur lui-même pour former un petit cylindre fermé à ses extrémités
par deux demi sphères.
1.2) Historique :
Les nanotubes ont été découverts par le chercheur japonais Jumio Iijima en 1991
alors qu’il s’intéressait à la synthèse de fullerènes. Depuis cette date, ils ont fait
l’objet de diverses études quant à leurs propriétés et leurs applications
envisageables.
Nous nous pencherons ainsi sur la chronologie de ces nombreuses avancées.
1.3) Structure :
Un nanotube de carbone est un petit cylindre de 0,5 à une dizaine de nanomètres de
diamètre et sa longueur ne dépasse pas quelques micromètres.
Sa structure est unidimensionnelle et de symétrie axiale.
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•
Chiralité :
On peut identifier un nanotube de manière unique par son vecteur chiralité.
Représentation schématique d'une feuille de graphène, de ses droites et vecteurs
caractéristiques.
•
Leurs mécanisme de croissance restent aujourd’hui mal compris. Il en
résulte deux théories relatives à leur cycle de croissance.
II-ELABORATION ET CONDITIONNEMENT :
2.1) Elaboration :
On dénombre aujourd’hui trois grandes voies de synthèse des nanotubes.
•
Méthode de l’arc électrique :
La plus ancienne (à partir de laquelle ont été découverts les fullerènes) consiste à
établir un arc électrique entre deux électrodes de graphite. La manipulation se
déroule sous atmosphère inerte, à basse pression et à très haute température. On
recueille par la suite les nanotubes dans un dépôt de suie sur l’une des électrodes.
•
Autres méthodes :
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Il existe d’autres méthodes comme l’ablation laser ou le four solaire. La première ne
permet pas un rendement satisfaisant, la seconde est en cours d’amélioration et vise
un meilleur rendement que celui obtenu par la méthode de l’arc électrique.
2.2) Problèmes liés à leur fabrication :
Même si les laboratoires valident l’efficacité théorique des nanotubes , il reste
des problèmes à résoudre quant à leur fabrication et leur fiabilité.
•
Un caractère aléatoire :
La synthèse des nanotubes n’est pas totalement maîtrisée même à petite échelle de
production. Par exemple, en fonction de leur enroulement (lié à la chiralité), on peut
obtenir aussi bien des semi-conducteurs que des conducteurs.
Dans l’ordre : nanotube 1 :type chaise, nanotube 2 : type zigzag,nanotube 3 : type chiral
•
Des nanotubes bruyants et impurs :
Le passage de la théorie à la pratique s’avère complexe.
En effet, les nanotubes fabriqués nécessitent un traitement pour pouvoir être
utilisés. De plus, l’importance de leur bruit électronique réduit fortement leur
performance et intégrer des composants en nanotubes devient plus difficile que
prévu.
III DES PROPRIETES EXCEPTIONNELLES :
Si les nanotubes se révèlent aussi prometteurs, c’est grâce à leurs propriétés
électroniques et mécaniques supérieures à celles de tous les autres matériaux.
3.1) Propriétés électroniques :
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Les nanotubes permettent de former des composants extrêmement petits. Ils ne
peuvent former des matériaux à part entière, mais en les intégrant à certains
composants, ils sont capables d’améliorer et d’amplifier toutes sortes de
fonctionnalités.
3.2) Propriétés mécaniques :
La présence des liaisons C-C rendent les propriétés mécaniques des nanotubes
uniques. On peut notamment noté une très grande résistivité et rigidité.
A titre d’exemple, les nanotubes sont six fois plus rigides que l’acier à section égale,
et ont une résistance à la rupture cent fois plus grande.
IV APPLICATION :
Les nanotubes, si l’on ne s’attache qu’à leurs étonnantes propriétés, prennent
timidement le chemin de la vie courante en essayant de se plier aux exigences de
l’industrialisation.
4.1) Une multitude d’applications :
Diverses utilisations des nanotubes sont envisageables dans des domaines très
différents : transistors, puces ultraminiaturisées, stockage de l’hydrogène ne sont
que quelques exemples.
4.2) Vers l’infiniment petit :
Les nanotechnologies partent à la conquête du cœur de la matière pour permettre,
demain, la fabrication de produits industriels et médicaux à l’échelle du milliardième
de mètre. Leur biocompatibilité permettra leur intégration dans le corps humain.
CONCLUSION :
Nous avons vus que la propriétés des nanotubes de carbone sont tout à fait
particulières.
Ils peuvent être métalliques ou semi-conducteurs, sont très résistants aux
ontraintes, acceptent des déformations élastiques importantes sans signes de
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fatigue…Mais les nombreuses applications envisageables seront réalisables à
condition de répondre à certains problèmes :
L aproduction à grande échelle , le bruit éléctronique, le caractère aléatoire de leur
fabrication….restent des difficultés à surmonter.
Remerciements :
Nous tenons à remercier M Courbière, M Alexandre La Fontaine ( ingénieur SGM) pour
leurs conseils. Enfin, nous remercions Mme Valin qui nous a donné l’opportunité
d’assister au salon européen de la Recherche et de l’Innovation, ayant lieu du 3 au 5
Juin 2005.
Bibliographie :
La Recherche, Juin 2000
Sciences et Vie, Hors-Serie, Décembre 2004
Sciences et Avenir, Février 2005
www.citesciences.fr/francais/ala_cite/science_actualites/sitesactu/magazine/article.php?id_mag=3&la
ng=fr&id_article=463
http://www.minefi.gouv.fr/minefi/ministere/documentation/revuesdeweb/nano.htm
http://www.nanoledge.com/index.php?main=about2&lang=fr&sub=1
http://www.minefi.gouv.fr/minefi/ministere/documentation/revuesdeweb/nano.htm
http://www.rmnt.org/
www.nano-tek.org
http://perso.wanadoo.fr/pollens/aflash/aflash93.htm
http://mineralinfocatalogue.brgm.fr/veille/L0210.htm
http://cap21-picardie.over-blog.com/categorie-10920.html:
http://archquo.nouvelobs.com
http://fr.wikipedia.org/wiki/Nanotube#Structure
http://www.archipress.org/ts/chatelain2.htm
http://www.imp.cnrs.fr/utilisateurs/guillard/page2.html
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