Présentation de connaissance et comportement des matériaux Les nanotubes de carbone Année...

Présentation de connaissance et comportement des matériaux

Les nanotubes de Les nanotubes de carbonecarbone

Année académique 2004-2005Année académique 2004-2005

Présentation de connaissance et comportement des matériaux: les nanotubes de carbone

PlanPlan Présentation des NTCPrésentation des NTC Structure des NTCStructure des NTC Synthèse des NTC (Haute et moyenne T°)Synthèse des NTC (Haute et moyenne T°) Auto-assemblage des NTCAuto-assemblage des NTC Propriétés mécaniques, électriques, Propriétés mécaniques, électriques,

électroniques, optiques, chimiques et électroniques, optiques, chimiques et thermiquesthermiques

ApplicationsApplications


Nanotubes de carboneNanotubes de carbone Découvert en 1991 Découvert en 1991

par Iijima.par Iijima. Plusieurs Plusieurs m de m de

longueur et nm de longueur et nm de diamètre.diamètre.

Structure cristalline Structure cristalline de forme tubulaire, de forme tubulaire, creuse et close.creuse et close.

Atomes disposés en Atomes disposés en hexagoneshexagones


Structure des NTCStructure des NTC

Enroulement d’un Enroulement d’un plan d’hexagones de plan d’hexagones de façon à former un façon à former un cylindre = superposer cylindre = superposer 2 hexagones.2 hexagones.

Fermeture: introduire Fermeture: introduire un défaut de courbure un défaut de courbure (pentagone).(pentagone).


Structure des NTCStructure des NTC Hélicité : fonction des 2 hexagones superposés. Hélicité : fonction des 2 hexagones superposés.

Influe directement sur la structure du NTC.Influe directement sur la structure du NTC.


Synthèse des NTCSynthèse des NTC Existence à l’état naturel?Existence à l’état naturel? Objectifs : produire des nanotubes à Objectifs : produire des nanotubes à

grande échelle et de façon contrôlée.grande échelle et de façon contrôlée.

Synthèse à haute température.Synthèse à haute température. Synthèse à moyenne température.Synthèse à moyenne température.


Synthèse à haute températureSynthèse à haute température Evaporer le carbone Evaporer le carbone

graphite et le graphite et le condenser. Besoin condenser. Besoin d’un fort gradient de d’un fort gradient de température et d’un température et d’un gaz inerte( ex: He)gaz inerte( ex: He)

Arc électriqueArc électrique


Synthèse à haute températureSynthèse à haute température Ablation laserAblation laser

Réacteur solaireRéacteur solaire


Synthèse à moyenne température Synthèse à moyenne température (500° à 1100°C)(500° à 1100°C)

Adaptation de la synthèse Adaptation de la synthèse des fibres de carbones.des fibres de carbones.

Décomposer un gaz de Décomposer un gaz de carbone à la surface d’un carbone à la surface d’un catalyseur métallique.catalyseur métallique.

Précipitation du carbone à Précipitation du carbone à la surface.la surface.

La condensation donne La condensation donne des structures tubulaires.des structures tubulaires.


Auto-assemblage : NTC multifeuilletsAuto-assemblage : NTC multifeuillets

Nanotubes Nanotubes multifeuilletsmultifeuillets

Tubes s’emboîtent les Tubes s’emboîtent les uns dans les autresuns dans les autres

Nombre de feuillets et Nombre de feuillets et diamètres sont diamètres sont variablesvariables


Auto-assemblage: empilements Auto-assemblage: empilements périodiquespériodiques

Empilements Empilements périodiquespériodiques

Les tubes s’empilent, Les tubes s’empilent, formant un système formant un système périodique de périodique de symétrie triangulaire.symétrie triangulaire.

Plusieurs dizaines par Plusieurs dizaines par faisceau.faisceau.

Diamètres fonction de Diamètres fonction de la synthèse du NTCla synthèse du NTC


PropriétésPropriétés

Difficile de manipuler des nanotubes seuls Difficile de manipuler des nanotubes seuls et de réaliser des mesures de leurs et de réaliser des mesures de leurs propriétés propriétés

Etudes basées sur des modèles Etudes basées sur des modèles théoriquesthéoriques

Possible de mesurer quelques propriétés Possible de mesurer quelques propriétés d’un seul nanotube d’un seul nanotube


Propriétés d’un seul nanotubePropriétés d’un seul nanotube

Nanotubes séparés pour éviter une Nanotubes séparés pour éviter une influence mutuelleinfluence mutuelle

Mesure de différentes propriétés grâce à un Mesure de différentes propriétés grâce à un AFM (Atomic Force Microscope) ou un MET AFM (Atomic Force Microscope) ou un MET (un microscope électronique à transmission)(un microscope électronique à transmission)

Identification du nanotube seul (structure) Identification du nanotube seul (structure) par la spectroscopie Ramanpar la spectroscopie Raman


Propriétés mécaniquesPropriétés mécaniques

Propriétés exceptionnelles Propriétés exceptionnelles Des centaines de fois plus résistants que Des centaines de fois plus résistants que l'acier pour un poids 6 fois moindre (à l'acier pour un poids 6 fois moindre (à section équivalente)section équivalente) Certains nanotubes sont plus durs que le Certains nanotubes sont plus durs que le diamantdiamant



Très grand module d’Young dans leur Très grand module d’Young dans leur direction axialedirection axiale

Environ 1 TPa pour nanotube individuel de Environ 1 TPa pour nanotube individuel de carbone carbone

La limite de rupture : aux alentours des La limite de rupture : aux alentours des 150 GPa150 GPa

Très flexibles en raison de leur grande Très flexibles en raison de leur grande longueur(courbure réversible jusqu'à un longueur(courbure réversible jusqu'à un angle critique qui atteint 110° pour un tube angle critique qui atteint 110° pour un tube monofeuillet) monofeuillet)



Le module dépend de la taille et des Le module dépend de la taille et des indices (n,m) du nanotubeindices (n,m) du nanotube

De 1.22 TPA pour les tubes (10,0) et (6,6) De 1.22 TPA pour les tubes (10,0) et (6,6) à 1.26 TPa pour les nanotubes mono-à 1.26 TPa pour les nanotubes mono-feuillets larges (20,0). feuillets larges (20,0).

1.09 pour un tube générique 1.09 pour un tube générique


Propriétés mécaniquesPropriétés mécaniques Métaux purs: Aluminium: 69 000Mpa, Métaux purs: Aluminium: 69 000Mpa,

Titane: 116 000 MpaTitane: 116 000 Mpa Alliages: acier de construction: 210 000 MPa Alliages: acier de construction: 210 000 MPa

Cuivre laminé U4 (Recuit): 90 000 MPa, Cuivre laminé U4 (Recuit): 90 000 MPa, fontes: 83 à 170 000fontes: 83 à 170 000

Béton: 27 000 MPa, Diamant (C) 1 000 000 Béton: 27 000 MPa, Diamant (C) 1 000 000 MPa, verre: 69 000 MPa, Chêne: 12 000 MPa, verre: 69 000 MPa, Chêne: 12 000 MPaMPa

Caoutchoucs: 700 à 4 000 MPa, 190 000 Caoutchoucs: 700 à 4 000 MPa, 190 000 Kevlar 34 500 Kevlar 34 500

Nanotubes (Carbone):1 100 000MpaNanotubes (Carbone):1 100 000Mpa



Cylindre creux dont le diamètre extérieur serait de 10 cm Cylindre creux dont le diamètre extérieur serait de 10 cm et la paroi de 4 cm d'épaisseur, reliant deux murs et la paroi de 4 cm d'épaisseur, reliant deux murs distants de 2 mètres: si le cylindre était aussi rigide qu'un distants de 2 mètres: si le cylindre était aussi rigide qu'un nanotube 10 millions de fois plus petit que lui, sous un nanotube 10 millions de fois plus petit que lui, sous un poids de 1000 tonnes il ne fléchirait en son centre que poids de 1000 tonnes il ne fléchirait en son centre que d'un centimètred'un centimètre

2 m

0.1 m



Reste à trouver maintenant les moyens de Reste à trouver maintenant les moyens de conserver ces propriétés mécaniques de conserver ces propriétés mécaniques de rigidité et de résistance à la rupture à rigidité et de résistance à la rupture à l'échelle macroscopique l'échelle macroscopique

Propriétés finales dépendantes de la Propriétés finales dépendantes de la longueur des nanotubes assemblés, de la longueur des nanotubes assemblés, de la perfection de leur alignement et de la perfection de leur alignement et de la manière dont on arrivera à les liermanière dont on arrivera à les lier


Propriétés optiquesPropriétés optiques Fluorescence dans le proche infrarouge, Fluorescence dans le proche infrarouge,

domaine spectral dans lequel les tissus domaine spectral dans lequel les tissus humains et les fluides biologiques sont humains et les fluides biologiques sont transparents et ne fluorescent généralement transparents et ne fluorescent généralement paspas

Détection des nanotubes dans les tissus Détection des nanotubes dans les tissus biologiques(marqueurs en imagerie biologiques(marqueurs en imagerie médicale)médicale)

Etude actuelle sur la nocivité pour les Etude actuelle sur la nocivité pour les cellules vivantescellules vivantes


Propriétés électriquesPropriétés électriques Résistivité de fils de nanotubes : environ Résistivité de fils de nanotubes : environ 1010-4-4

Ω.cmΩ.cm à 300 K (record) (Ag: 63. 10 à 300 K (record) (Ag: 63. 10-4-4 Ω.cm, Ω.cm, Cu:59. 10Cu:59. 10-4-4 Ω.cm) Ω.cm)

Très hautes densités de courants jusque 1013 Très hautes densités de courants jusque 1013 A/cm2 A/cm2

Supraconducteurs à basse températureSupraconducteurs à basse température Emetteurs de champs (d'ondes) à l'échelle du Emetteurs de champs (d'ondes) à l'échelle du

nanomètrenanomètre Usure assez rapide: émission de façon Usure assez rapide: émission de façon

relativement stable pendant 100 heuresrelativement stable pendant 100 heures


Propriétés électroniques Propriétés électroniques

nanotubes métalliques ou semi-conducteursnanotubes métalliques ou semi-conducteurs Les indices m,n déterminent le comportement Les indices m,n déterminent le comportement

métallique ou semi-conducteurmétallique ou semi-conducteur Les tubes zigzag (n,0) sont métalliques si n/3 Les tubes zigzag (n,0) sont métalliques si n/3

est un entier, et semi-conducteurs dans le cas est un entier, et semi-conducteurs dans le cas contrairecontraire

Les tubes (n,m) sont métalliques seulement si Les tubes (n,m) sont métalliques seulement si (2n+m)/3 est entier(2n+m)/3 est entier


Propriétés chimiques Propriétés chimiques

Meilleure réactivité chimique que celle des Meilleure réactivité chimique que celle des feuilles de graphites feuilles de graphites

Contrôle la solubilité des nanotubes en Contrôle la solubilité des nanotubes en modifiant sa taille et ses extrémitésmodifiant sa taille et ses extrémités

Modifications possibles si le nanotube Modifications possibles si le nanotube assez pur (filtration et traitements acides)assez pur (filtration et traitements acides)

Structures creuses remplies avec d'autres Structures creuses remplies avec d'autres composés chimiques: nanofilscomposés chimiques: nanofils

Insolubles en solution aqueuseInsolubles en solution aqueuse


Propriétés thermiquesPropriétés thermiques

La conductivité thermique des nanotubes La conductivité thermique des nanotubes de carbone dépend de la température de carbone dépend de la température

Valeurs comparables au diamant ou à une Valeurs comparables au diamant ou à une couche de graphitecouche de graphite


Propriétés thermiquesPropriétés thermiques

La conductivité thermique d’un fil de nanotubes La conductivité thermique d’un fil de nanotubes de carbone varie entre 3000 et 37000 W/m-Kde carbone varie entre 3000 et 37000 W/m-K


ApplicationsApplications

Stockage d’énergieStockage d’énergie Électronique moléculaireÉlectronique moléculaire Sonde nanométrique et capteurs.Sonde nanométrique et capteurs. Matériaux compositesMatériaux composites Vision d’avenirVision d’avenir


Stockage d’énergieStockage d’énergie

Avantage du nanotube pour le stockage :Avantage du nanotube pour le stockage :

Petites dimensionsPetites dimensions Surface lisseSurface lisse Caractéristiques parfaites de la surfaceCaractéristiques parfaites de la surface Transfert d’électrons le plus rapideTransfert d’électrons le plus rapide


Types de stockageTypes de stockage

Hydrogène (par effet capillaire)Hydrogène (par effet capillaire)

Lithium (pour batteries de grande capacité)Lithium (pour batteries de grande capacité)

Capacités Electrochimiques Capacités Electrochimiques (condensateurs)(condensateurs)


Électronique moléculaireÉlectronique moléculaire

Le nanotube peut se comporter comme un Le nanotube peut se comporter comme un transistortransistor

Sa conductivité varie de conducteur à Sa conductivité varie de conducteur à semi-conducteursemi-conducteur

Utilisation dans une puce électroniqueUtilisation dans une puce électronique


Sonde nanométrique et capteurs.Sonde nanométrique et capteurs.

Palpeur pour Microscope à force atomique

• Résolution améliorée

•Pas de risque de rupture de la pointe


Sonde nanométrique et capteursSonde nanométrique et capteurs

Réseau de NTC pour analyser les Réseau de NTC pour analyser les déformations d’une structure en temps déformations d’une structure en temps réel. réel.

Feuilles de NTC utilisée comme Feuilles de NTC utilisée comme actuateurs. « Muscles artificiels »actuateurs. « Muscles artificiels »

Capteur chimique, en présence de certain Capteur chimique, en présence de certain composé la conductivité est modifiée.composé la conductivité est modifiée.


Matériaux compositesMatériaux composites

Utilisations des NTC comme renforcement Utilisations des NTC comme renforcement dans des composites de haute résistance, dans des composites de haute résistance, faible poids et haute performance.faible poids et haute performance.

NTC utilisés comme fibre dans une matrice NTC utilisés comme fibre dans une matrice de polymère.de polymère.

Problème dû au diamètre du NTC de l’ordre Problème dû au diamètre du NTC de l’ordre de grandeur des molécules du polymère.de grandeur des molécules du polymère.

Agrégation parasite des NTCAgrégation parasite des NTC


L’ascenseur L’ascenseur spatialspatial

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