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Que sont les nanotubes de carbone et à quoi servent-ils?

Que sont les nanotubes de carbone et à quoi servent-ils?

Les nanotubes de carbone sont des choses incroyables. Ils peuvent être plus solides que l'acier tout en étant plus fins qu'un cheveu humain.

Ils sont également très stables, légers et possèdent d'incroyables propriétés électriques, thermiques et mécaniques. Pour cette raison, ils ont le potentiel pour le développement de nombreux futurs matériaux intéressants.

Ils peuvent également détenir la clé de la construction des matériaux et des structures du futur, tels que les ascenseurs spatiaux.

Ici, nous explorons ce qu'ils sont, comment ils sont fabriqués et quelles applications ils ont tendance à avoir. Il ne s'agit pas d'un guide exhaustif et n'est destiné qu'à être utilisé comme un bref aperçu.

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Que sont les nanotubes de carbone et leurs propriétés?

Les nanotubes de carbone (NTC en abrégé), comme leur nom l'indique, sont de minuscules structures cylindriques en carbone. Mais pas n'importe quel carbone, les CNT sont constitués de feuilles enroulées d'une seule couche de molécules de carbone appelées graphène.

Ils ont tendance à se présenter sous deux formes principales (crédit à nanowerk.com):

1. Nanotubes de carbone à paroi simple (SWCNT) - Ceux-ci ont tendance à avoir un diamètre inférieur à 1 nm.

2. Nanotubes de carbone à parois multiples (MWCNT) - Ceux-ci se composent de plusieurs nanotubes interconnectés concentriquement et ont tendance à avoir des diamètres qui peuvent atteindre plus de 100 nm.

Dans les deux cas, les CNT peuvent avoir des longueurs variables de plusieurs micromètres à centimètres.

Comme les tubes sont exclusivement construits en graphène, ils partagent nombre de ses propriétés intéressantes. Les NTC, par exemple, sont liés par des liaisons sp2 - celles-ci sont extrêmement fortes au niveau moléculaire.

Les nanotubes de carbone ont également tendance à s'enchaîner via les forces de van der Waals. Cela leur confère une résistance élevée et un faible poids. Ils ont également tendance à être des matériaux hautement conducteurs d'électricité et thermiquement conducteurs.

"Les parois de CNT individuelles peuvent être métalliques ou semi-conductrices selon l'orientation du réseau par rapport à l'axe du tube, ce qui est appelé chiralité."

Les nanotubes de carbone ont également d'autres propriétés thermiques et mécaniques étonnantes qui les rendent attractifs pour le développement de nouveaux matériaux.

Par exemple (crédit à nanowerk.com):

  • Les CNT peuvent avoir une résistance à la traction mécanique 400 fois celui de l'acier ordinaire.

  • Ils sont très légers car leur densité est un sixième de celle de l'acier.

  • La conductivité thermique des CNT est meilleure que celle d'un diamant.

  • Les nanotubes de carbone ont un rapport hauteur / largeur très élevé supérieur à 1000. En d'autres termes, par rapport à leur longueur, ils sont extrêmement fins.

  • «Leur surface de pointe est proche de la limite théorique (plus la surface de pointe est petite, plus le champ électrique est concentré et plus le facteur d’amélioration du champ est important).

  • Tout comme le graphite, ils sont chimiquement stables et résistent pratiquement à tout impact chimique à moins qu'ils ne soient simultanément exposés à des températures élevées et à l'oxygène - une propriété qui les rend extrêmement résistants à la corrosion.

  • Leur intérieur creux peut être rempli de divers nanomatériaux, les séparant et les protégeant de l'environnement environnant - une propriété extrêmement utile pour les applications de nanomédecine telles que l'administration de médicaments. "

Que font les nanotubes de carbone?

Comme nous l'avons déjà vu, les nanotubes de carbone ont des propriétés très inhabituelles. Pour cette raison, les CNT ont de nombreuses applications intéressantes et variées.

En fait, à partir de 2013, selon Wikipedia via Science Direct, la production de nanotubes de carbone dépassait plusieurs milliers de tonnes par an. Ces nanotubes ont de nombreuses applications, notamment l'utilisation dans:

  • Solutions de stockage d'énergie
  • Modélisation d'appareils
  • Structures composites
  • Pièces automobiles, y compris potentiellement dans les voitures à pile à hydrogène
  • Coques de bateaux
  • Articles de sport
  • Filtres à eau
  • Électronique à couche mince
  • Revêtements
  • Actionneurs
  • Blindage électromagnétique
  • Textiles
  • Applications biomédicales, y compris l'ingénierie tissulaire des os et des muscles, l'administration de produits chimiques, les biocapteurs et plus

Il existe également de nombreux domaines prometteurs dans lesquels les nanotubes de carbone pourraient aider dans d'autres domaines passionnants.

Que sont les nanotubes de carbone à parois multiples?

Comme nous l'avons déjà vu, les nanotubes de carbone à parois multiples sont ces nanotubes constitués de plusieurs nanotubes liés de manière concentrique. Ils ont tendance à avoir des diamètres qui peuvent atteindre plus de 100 nm.

Ils peuvent atteindre plus de centimètres de longueur et ont tendance à avoir des proportions qui varient entre 10 et 10 millions.

"Ils se distinguent des nanotubes de carbone à paroi simple en raison de leur structure et de leur rigidité de poupée russe à parois multiples, et forment des nanofibres de carbone en raison de leur structure de paroi différente, de leur diamètre extérieur plus petit et de leur intérieur creux", note Ákos Kukovecz et al.

Les nanotubes à parois multiples peuvent contenir entre 6 et 25 ou des murs plus concentriques.

Les MWCNT ont d'excellentes propriétés qui peuvent être exploitées dans un grand nombre d'applications commerciales. Ceux-ci incluent (crédit à azonona.com):

  • Électrique: Les MWNT sont hautement conducteurs lorsqu'ils sont correctement intégrés dans une structure composite. Il est à noter que la paroi externe seule est conductrice, les parois internes ne sont pas essentielles à la conductivité.

  • Morphologie: Les MWNT ont un rapport hauteur / largeur élevé, avec des longueurs généralement supérieures à 100 fois le diamètre, et dans certains cas beaucoup plus élevé. Leurs performances et leur application sont basées non seulement sur le rapport d'aspect, mais également sur le degré d'enchevêtrement et la rectitude des tubes, qui à son tour est fonction à la fois du degré et de la dimension des défauts dans les tubes.

  • Physique: Les MWNT individuels sans défaut ont une excellente résistance à la traction et, lorsqu'ils sont intégrés dans un composite, tel qu'un composé thermoplastique ou thermodurcissable, peuvent augmenter considérablement sa résistance.

  • Thermique: Les MWNT ont une stabilité thermique supérieure à 600 ° C, basé sur le niveau de défauts et dans une certaine mesure sur la pureté, car un catalyseur résiduel dans le produit peut également catalyser la décomposition.

  • Chimique: MWNTs sont un allotrope de sp2 le carbone hybridé, similaire au graphite et aux fullerènes, et en tant que tel ont une stabilité chimique élevée. Cependant, on peut fonctionnaliser les nanotubes pour améliorer à la fois la résistance et la dispersibilité des composites.

Comment se forment les nanotubes de carbone?

À ce jour, il existe trois méthodes principales de production de nanotubes de carbone.

Ceux-ci sont:

1. Décharge d'arc

Dans ce processus, le graphite est brûlé électroniquement. Les NTC se forment dans la phase gazeuse, qui est ensuite séparée.

Ce procédé a également tendance à utiliser un métal tel que le fer, le cobalt ou le nickel comme catalyseur.

2. Ablation laser du graphite

Tout comme la décharge d'arc ci-dessus, le graphite est brûlé, sauf cette fois avec l'utilisation d'un laser. La forme de la CNT de la même manière et sont également séparées plus tard.

Cette technique utilise également des catalyseurs métalliques pour faciliter le processus.

3. Torche à plasma

Semblable aux deux premières méthodes ci-dessus, le processus de fabrication d'une torche à plasma utilise un gaz contenant du carbone au lieu de vapeurs de graphite pour créer les nanotubes de carbone.

4. Dépôt chimique en phase vapeur (CVD)

La CVD est un processus qui est le plus prometteur pour la production de NTC. Il permet un processus de production quantitatif beaucoup plus important et est beaucoup plus contrôlable.

C'est aussi moins cher.

Pendant le CVD, un substrat est préparé avec une couche de particules de catalyseur métallique, le plus souvent du nickel, du cobalt, du fer ou une combinaison.

"Les nanotubes se développent sur les sites du catalyseur métallique; le gaz contenant du carbone est brisé à la surface de la particule de catalyseur, et le carbone est transporté vers les bords de la particule, où il forme les nanotubes", note un volume édité sur la fonctionnalisation chimique des nanomatériaux de carbone.

Ce processus peut être purement catalytique ou supporté par plasma.

5. Électrolyse liquide

Cette technique a été découverte en 2015 par l'Université George Washington pour produire des MWCNT par électrolyse de carbonates fondus. Le processus de base est similaire à celui de la CVD.


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