Nanotube de carbone - Définition

Introduction

Réprésentation d'un nanotube de carbone.

Un nanotube de carbone monofeuillet.

Image d'un bout de nanotube réalisée par un microscope électronique

Les nanotubes de carbone sont une forme allotropique du carbone appartenant à la famille des fullerènes. En 2008, ce sont les matériaux les plus résistants et durs ; la théorie leur prédit une conductivité électrique et thermique remarquablement élevées. Ce sont les premiers produits industriels issus des nanotechnologies.

Découverte

Animation d'un nanotube de carbone monofeuillet

En 2006, un éditorial de Marc Monthioux et Vladimir Kuznetsov du journal Carbon a décrit l'intéressante et pourtant méconnue origine des nanotubes de carbone. Une très grande partie des revues de toute nature attribuent, à tort, la découverte de tubes creux nanométriques composés de feuillets de graphite à Sumio Iijima (NEC) en 1991. Bien que ses publications aient marqué le point de départ de l'intérêt pour ces structures, Sumio Iijima n'a pas été en fait le premier à observer un nanotube de carbone (voir plus bas), mais de toute façon, il serait impossible de savoir qui a été le premier à en créer. En effet, dès la découverte du feu il y a environ 500 000 ans, il s'en produisait déjà (en infime quantité) dans la suie des foyers, où, fractionnées sous l’effet de la chaleur, les molécules de carbone voient leurs atomes se recombiner d'innombrables façons, donnant naissance tantôt à de minuscules gouttes amorphes, tantôt à des nanostructures géodésiques.

La première observation réelle de nanotubes semble dater de 1952, année où Radushkevich et Lukyanovich ont publié des images claires de tubes de carbone d'environ 50 nanomètres de diamètre dans le Journal of Physical Chemistry(soviétique). Cette découverte ne s'est pas répandue, l'article étant publié en russe, les scientifiques de l'ouest ayant de plus un accès restreint aux publications soviétiques durant la guerre froide. Comme on l'a dit, des nanotubes de carbone furent produits bien avant cette date, mais c'est seulement à partir de cette époque que l'invention du microscope électronique en transmission permit une visualisation directe de ces structures.

Les nanotubes de carbone furent donc produits et observés sous différentes conditions, bien avant 1991. Un article d'Oberlin, Endo et Koyama publié en 1976 montre clairement des fibres de carbones creuses (hollow carbon fibres) de taille nanométrique, obtenues à partir de méthodes CVD. De plus, les auteurs montrent une image en MET d'un nanotube constitué d'un seul feuillet de graphène. Plus tard, Endo a considéré que cette image était celle d'un nanotube monofeuillet.

En outre, en 1979, John Abrahamson présenta des preuves de l'existence des nanotubes de carbone à la 14ème Conférence biennale du Carbone de l'université d'État de Pensylvanie. Lors de la conférence, les nanotubes de carbone furent décrits comme des fibres de carbone produites sur une anode de carbone après formation d'un arc électrique. Les caractéristiques de ces fibres étaient données, ainsi que des hypothèses sur leur croissance en milieu azoté à basse pression

En 1981, un groupe de scientifiques soviétiques publia les résultats de la caractérisation chimique et structurelle de nanoparticules de carbone produites par dismutation thermo-catalytique de monoxyde de carbone. En utilisant des images MET et aux rayons X, les auteurs suggérèrent que leurs “cristaux tubulaires multi-couche de carbone” étaient formés par enroulement de couches de graphène en cylindres. De plus, ils supposèrent que durant cet enroulement, plusieurs dispositions du réseau hexagonal du graphène étaient possibles. Ils envisagèrent deux possibilités : une disposition circulaire (nanotubes de type « fauteuil ») et une disposition en spirale (nanotube chiraux)..

En 1993, Sumio Iijima et Donald S. Bethune d'IBM en Californie réussissent indépendamment à synthétiser des nanotubes monofeuillet. Si Iijima obtient ses nanotubes monofeuillets en phase gazeuse, Bethune utilise quant à lui une technique de covaporisation de carbone et de cobalt.