NANOTUBES DE CARBONE: STRUCTURE, PROPRIÉTÉS, APPLICATIONS, TOXICITÉ - CHIMIE - 2025

Les nanotubes de carbone sont des tubes ou cylindres très petits et très fins formés uniquement d'atomes de carbone (C). Sa structure tubulaire n'est visible qu'au microscope électronique. C'est un matériau noir solide, composé de très petits faisceaux ou faisceaux de plusieurs dizaines de nanotubes, enchevêtrés pour former un réseau compliqué.

Le préfixe «nano» signifie «très petit». Le mot «nano» utilisé dans la mesure signifie qu'il s'agit d'un milliardième d'une mesure. Par exemple, un nanomètre (nm) est un milliardième de mètre, c'est-à-dire 1 nm = 10 ^-9 m.

Échantillon de nanotubes de carbone. On peut voir qu'il s'agit d'un solide noir d'apparence semblable au carbone. Shaddack. Source: Wikimedia Commons.

Chaque minuscule nanotube de carbone est composé d'une ou plusieurs feuilles de graphite enroulées autour d'eux. Ils sont classés en nanotubes à paroi unique (une seule feuille laminée) et en nanotubes à parois multiples (deux ou plusieurs cylindres l'un à l'intérieur de l'autre).

Les nanotubes de carbone sont très résistants, ont une haute résistance à la rupture et sont très flexibles. Ils conduisent très bien la chaleur et l'électricité. Ils constituent également un matériau très léger.

Ces propriétés les rendent utiles dans divers domaines d'application, tels que les industries automobile, aérospatiale et électronique, entre autres. Ils ont également été utilisés en médecine, par exemple pour transporter et administrer des médicaments anticancéreux, des vaccins, des protéines, etc.

Cependant, sa manipulation doit être effectuée avec un équipement de protection car une fois inhalés, ils peuvent endommager les poumons.

Découverte des nanotubes de carbone

Il y a différentes opinions dans la communauté scientifique sur qui a découvert les nanotubes de carbone. Bien qu'il existe de nombreux articles de recherche sur ces matériaux, seules quelques dates importantes sont mentionnées ci-dessous.

- En 1903, le scientifique français Pélabon a observé des filaments de carbone dans un échantillon (les microscopes électroniques n'étaient pas encore disponibles à cette date).

- En 1950, le physicien Roger Bacon de la société Union Carbide étudie certains échantillons de fibres de carbone et observe des images de nano-fluff ou nanobigots droits et évidés (nanowhiskers).

- En 1952, les scientifiques russes Radushkevich et Lukyanovich ont publié des photos d'images de nanotubes de carbone synthétisés par eux-mêmes et obtenus au microscope électronique, où l'on observe clairement qu'ils sont creux.

- En 1973, les scientifiques russes Bochvar et Gal'pern ont réalisé une série de calculs des niveaux d'énergie des orbitales moléculaires montrant que les feuilles de graphite peuvent se tordre sur elles-mêmes pour former des «molécules creuses».

- En 1976, Morinobu Endo a observé des fibres de carbone à centre évidé produites par la pyrolyse du benzène et du ferrocène à 1000 ° C (la pyrolyse est un type de décomposition qui se produit avec un chauffage à très haute température en l'absence d'oxygène).

- En 1991, l'enthousiasme pour les nanotubes de carbone a été suscité après que Sumio Iijima a synthétisé des aiguilles de carbone fabriquées à partir de tubes creux en utilisant la technique de l'arc électrique.

- En 1993, Sumio Iijima et Donald Bethune (travaillant indépendamment l'un de l'autre) ont simultanément découvert des nanotubes de carbone à paroi unique.

Interprétations de certaines des sources consultées

Selon certaines sources d'information, le mérite de la découverte des nanotubes de carbone devrait peut-être revenir aux scientifiques russes Radushkevich et Lukyanovich en 1952.

On pense qu’ils n’ont pas reçu leur crédit mérité car à cette époque existait la soi-disant «guerre froide» et les scientifiques occidentaux n’avaient pas accès aux articles russes. De plus, peu de gens pouvaient traduire du russe, ce qui a encore retardé l'analyse de leurs recherches à l'étranger.

Dans de nombreux articles, il est dit que c'est Iijima qui a découvert les nanotubes de carbone en 1991. Cependant, certains chercheurs estiment que l'impact des travaux d'Iijima est dû au fait que la science avait déjà atteint un degré de maturité suffisant pour apprécier l'importance des nanotubes de carbone. nanomatériaux.

Certains disent qu'au cours de ces décennies, les physiciens ne lisaient généralement pas d'articles dans les magazines de chimie, où les nanotubes de carbone étaient déjà discutés, et que pour cette raison, ils ont été «surpris» par l'article d'Iijima.

Mais tout cela ne diminue en rien la haute qualité du travail d'Iijima de 1991. Et la divergence d'opinion demeure.

Nomenclature

- Nanotubes de carbone, ou CNT (Carbon NanoTubes).

- Nanotubes de carbone à simple paroi, ou SWCNT (Single-Walled Carbon NanoTubes).

- Nanotubes de carbone multi-parois, ou MWCNT (Multi-Walled Carbon NanoTubes).

Structure

Structure physique

Les nanotubes de carbone sont des tubes ou des cylindres très fins et petits dont la structure ne peut être vue qu'au microscope électronique. Ils consistent en une feuille de graphite (graphène) enroulée dans un tube.

Un nanotube de carbone est une feuille laminée de graphite ou de graphène: (a) image théorique de feuille de graphite, (b) image théorique de feuille laminée ou nanotube de carbone. OpenStax. Source: Wikimedia Commons.

Ce sont des molécules cylindriques évidées composées uniquement d'atomes de carbone. Les atomes de carbone sont disposés sous la forme de petits hexagones (polygones à 6 côtés) similaires au benzène et liés entre eux (cycles de benzène condensés).

Dessin d'un nanotube de carbone où vous pouvez voir les petits hexagones de 6 atomes de carbone. Utilisateur: Gmdm. Source: Wikimedia Commons.

Les tubes peuvent être bouchés ou non au niveau de leurs ouvertures et peuvent être extrêmement longs par rapport à leurs diamètres. Ils sont équivalents à des feuilles de graphite (graphène) roulées dans des tubes sans soudure.

Structure chimique

Les NTC sont des structures polyaromatiques. Les liaisons entre les atomes de carbone sont covalentes (c'est-à-dire qu'elles ne sont pas ioniques). Ces liens sont dans le même plan et sont très forts.

La force des liaisons C = C rend les NTC très rigides et solides. En d'autres termes, les parois de ces tubes sont très résistantes.

Les joints hors plan sont très faibles, ce qui signifie qu'il n'y a pas de joints solides entre un tube et un autre. Cependant, ce sont des forces attractives qui permettent la formation de faisceaux ou de faisceaux de nanotubes.

Classification selon le nombre de tubes

Les nanotubes de carbone sont divisés en deux groupes: les nanotubes à simple paroi, ou SWCNT (Single-Wall Carbon NanoTube), et les nanotubes à parois multiples, ou MWCNT (Multi-Wall Carbon NanoTube).

Types de nanotubes: (1) image réelle de nanotubes à parois multiples, (2) dessin de nanotubes à paroi unique, (3) dessin de feuille de graphite ou de graphène W2raphael. Source: Wikimedia Commons.

Les nanotubes de carbone à paroi unique (SWCNT) sont constitués d'une seule feuille de graphène enroulée dans un cylindre, où les sommets des hexagones s'emboîtent parfaitement pour former un tube sans soudure.

Les nanotubes de carbone à parois multiples (MWCNT) sont constitués de cylindres concentriques placés autour d'un centre creux commun, c'est-à-dire de deux cylindres creux ou plus placés l'un dans l'autre.

Les nanotubes à parois multiples sont constitués de deux ou plusieurs cylindres l'un à l'intérieur de l'autre. Eric Wieser. Source: Wikimedia Commons.

Image réelle d'un nanotube de carbone à parois multiples obtenu au microscope électronique. Oxirane. Source: Wikimedia Commons.

Classement selon la forme d'enroulement

Selon la façon dont la feuille de graphène est roulée, le motif formé par les hexagones dans les NTC peut être: en forme de chaise, en forme de zigzag et hélicoïdal ou chiral. Et cela influence ses propriétés.

Image réelle d'un nanotube de carbone chiral ou hélicoïdal. Taner Yildirim (Institut national des normes et de la technologie - NIST). Source: Wikimedia Commons.

Propriétés physiques

Les nanotubes de carbone sont solides. Ils se rassemblent pour former des bouquets, des faisceaux, des faisceaux ou des "chaînes" de plusieurs dizaines de nanotubes, enchevêtrés pour former un réseau très dense et compliqué.

Image réelle de nanotubes de carbone obtenue au microscope électronique. On voit qu'ils forment des faisceaux qui s'emmêlent les uns avec les autres. Materialscientist sur Wikipedia anglais. Source: Wikimedia Commons.

Ils ont une résistance à la traction supérieure à celle de l'acier. Cela signifie qu'ils ont une résistance élevée à la rupture lorsqu'ils sont soumis à des contraintes. En théorie, ils peuvent être des centaines de fois plus résistants que l'acier.

Ils sont très élastiques, ils peuvent être pliés, tordus et pliés sans dommage, puis reprendre leur forme initiale. Ils sont très légers.

Ce sont de bons conducteurs de chaleur et d'électricité. On dit qu'ils ont un comportement électronique très polyvalent ou qu'ils ont une conductivité électronique élevée.

Les tubes de NTC dont les hexagones sont disposés en forme de fauteuil ont un comportement métallique ou similaire à celui des métaux.

Ceux disposés en zigzag et en hélice peuvent être métalliques et semi-conducteurs.

Propriétés chimiques

En raison de la force des liaisons entre leurs atomes de carbone, les NTC peuvent résister à des températures très élevées (750 ° C à pression atmosphérique et 2800 ° C sous vide).

Les extrémités des nanotubes sont chimiquement plus réactives que la partie cylindrique. S'ils sont soumis à une oxydation, les extrémités sont d'abord oxydées. Si les tubes sont fermés, les extrémités s'ouvrent.

Lorsqu'ils sont traités avec de l'acide nitrique HNO ₃ ou de l'acide sulfurique H ₂ SO ₄ dans certaines conditions, les NTC peuvent former des groupes de type carboxylique -COOH ou des groupes de type quinone O = CC ₄ H ₄ -C = O.

Les CNT de plus petit diamètre sont plus réactifs. Les nanotubes de carbone peuvent contenir des atomes ou des molécules d'autres espèces dans leurs canaux internes.

Solubilité

Du fait que les NTC n'ont pas de groupe fonctionnel à leur surface, ils sont très hydrophobes, c'est-à-dire extrêmement peu compatibles avec l'eau et ne sont pas solubles dans celle-ci ou dans les solvants organiques non polaires.

Cependant, s'ils réagissent avec certains composés, les NTC peuvent devenir solubles. Par exemple avec l'acide nitrique HNO ₃ peut être solubilisé dans certains solvants de type amide sous certaines conditions.

Propriétés biochimiques

Les nanotubes de carbone purs sont bioincompatibles, ce qui signifie qu'ils ne sont pas compatibles ou liés à la vie ou aux tissus vivants. Ils génèrent une réponse immunitaire du corps, car ils sont considérés comme des éléments agressifs.

Pour cette raison, les scientifiques les modifient chimiquement de manière à ce qu'ils soient acceptés par les tissus de l'organisme et puissent être utilisés dans des applications médicales.

Ils peuvent interagir avec des macromolécules telles que les protéines et l'ADN, qui est la protéine qui compose les gènes des êtres vivants.

Obtention

Les nanotubes de carbone sont fabriqués à partir de graphite par diverses techniques telles que la vaporisation par impulsion laser, la décharge d'arc électrique et le dépôt chimique en phase vapeur.

Ils ont également été obtenus à partir d'un courant haute pression de monoxyde de carbone (CO) par croissance catalytique en phase gazeuse.

La présence de catalyseurs métalliques dans certaines méthodes de production contribue à l'alignement des nanotubes à parois multiples.

Cependant, un nanotube de carbone n'est pas une molécule qui s'avère toujours la même. Selon le mode de préparation et les conditions, ils sont obtenus avec des longueurs, des diamètres, des structures, des poids différents et en conséquence ils présentent des propriétés différentes.

Applications des nanotubes de carbone

Les propriétés des NTC les rendent adaptés à une grande variété d'utilisations.

Ils ont été utilisés dans les matériaux de structure pour l'électronique, l'optique, les plastiques et d'autres produits dans les domaines de la nanotechnologie, de l'aérospatiale et de la production automobile.

Les nanotubes de carbone ont de nombreuses utilisations différentes. Il s'agit d'une image réelle de nanotubes de carbone obtenue au microscope électronique. Ilmar Kink. Source: Wikimedia Commons.

Compositions ou mélanges de matériaux avec des NTC

Les NTC ont été combinés avec des polymères pour fabriquer des fibres et des tissus polymères renforcés de haute performance. Par exemple, ils ont été utilisés pour renforcer des fibres de polyacrylonitrile à des fins de défense.

Des mélanges de NTC avec des polymères peuvent également être conçus pour posséder différentes propriétés conductrices d'électricité. Ils améliorent non seulement la résistance et la rigidité du polymère, mais ajoutent également des propriétés de conductivité électrique.

Les fibres et les tissus en CNT sont également fabriqués avec des résistances similaires à celles de l'aluminium et de l'acier au carbone, mais qui sont beaucoup plus légères que celles-ci. L'armure corporelle a été conçue avec de telles fibres.

Ils ont également été utilisés pour obtenir des céramiques plus résistantes.

Appareils électroniques

Les nanotubes de carbone ont un grand potentiel dans l'électronique sous vide, les nanodispositifs et le stockage d'énergie.

Les CNT peuvent fonctionner comme des diodes, des transistors et des relais (dispositifs électromagnétiques qui permettent d'ouvrir et de fermer des circuits électriques).

Ils peuvent également émettre des électrons lorsqu'ils sont soumis à un champ électrique ou si une tension est appliquée.

Capteurs de gaz

L'utilisation de CNT dans les capteurs de gaz permet à ceux-ci d'être petits, compacts et légers et de pouvoir être combinés avec des applications électroniques.

La configuration électronique des CNT rend les capteurs très sensibles à des quantités extrêmement faibles de gaz et, en outre, les CNT peuvent être chimiquement adaptés pour détecter des gaz spécifiques.

Applications médicales

En raison de leur surface spécifique élevée, de leur excellente stabilité chimique et de leur structure polyaromatique riche en électrons, les CNT peuvent adsorber ou se conjuguer avec une grande variété de molécules thérapeutiques, telles que des médicaments, des protéines, des anticorps, des enzymes, des vaccins, etc.

Ils se sont avérés être d'excellents véhicules pour le transport et l'administration de médicaments, pénétrant directement dans les cellules et gardant le médicament intact pendant son transport à travers le corps.

Ce dernier permet de réduire la dose du médicament et sa toxicité, notamment les médicaments anticancéreux.

Les NTC se sont avérés utiles dans les thérapies contre le cancer, les infections, la régénération tissulaire, les maladies neurodégénératives et comme antioxydants.

Ils sont également utilisés dans le diagnostic de maladies, dans certaines analyses, telles que les biocapteurs, la séparation des médicaments et l'extraction de composés biochimiques.

Ils sont également utilisés dans les prothèses orthopédiques et comme matériau de support pour la croissance du tissu osseux.

Autres applications

Ils ont également été suggérés comme matériaux pour les membranes de batteries et de piles à combustible, les anodes pour les batteries au lithium-ion, les supercondensateurs et les filtres chimiques.

Leur conductivité électrique élevée et leur relative inertie chimique les rendent utiles comme électrodes dans les réactions électrochimiques.

Ils peuvent également adhérer aux particules de réactif et, en raison de leur grande surface spécifique, peuvent fonctionner comme supports de catalyseur.

Ils ont également la capacité de stocker de l'hydrogène, ce qui est très utile dans les véhicules fonctionnant à ce gaz, car avec les NTC, il pourrait être transporté en toute sécurité.

Toxicité des nanotubes de carbone

Des études ont révélé des difficultés pour évaluer la toxicité des NTC. Cela semble dépendre de caractéristiques telles que la longueur, la rigidité, la concentration et la durée d'exposition aux NTC. Cela dépend également de la méthode de production et de la pureté des NTC.

Cependant, il est recommandé d'utiliser un équipement de protection lors de la manipulation des NTC car il existe des études qui indiquent leur similitude avec les fibres d'amiante et que l'inhalation de poussières de NTC peut endommager les poumons.

Technicien pesant des échantillons de nanotubes de carbone. Vous pouvez voir les outils de protection qu'il utilise. Institut national américain pour la sécurité et la santé au travail. Source: Wikimedia Commons.

Image réelle de la façon dont un nanotube de carbone traverse une cellule dans un poumon. Robert R. Mercer, Ann F. Hubbs, James F. Scabilloni, Liying Wang, Lori A. Battelli, Diane Schwegler-Berry, Vincent Castranova et Dale W. Porter / NIOSH. Source: Wikimedia Commons.

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