Nanotube de carbone

Les nanotubes de carbone (NTC) sont des allotropes de carbone à nanostructure cylindrique. Ces molécules de carbone cylindriques ont des propriétés inhabituelles, qui sont précieuses pour la nanotechnologie, l’électronique, l’optique et d’autres domaines de la science et de la technologie des matériaux. En raison de la résistance et de la rigidité exceptionnelles du matériau, les nanotubes ont été construits avec un rapport longueur sur diamètre allant jusqu’à 132 000 000: 1, ce qui est nettement plus grand que pour tout autre matériau.

De plus, en raison de leur conductivité thermique, de leurs propriétés mécaniques et électriques extraordinaires, les nanotubes de carbone trouvent des applications en tant qu’additifs pour divers matériaux de structure. Par exemple, les nanotubes forment une infime partie du (des) matériau (s) dans certaines battes de baseball (principalement en fibre de carbone), clubs de golf, pièces de voiture ou en acier damas.

Les nanotubes appartiennent à la famille structurale des fullerènes. Leur nom provient de leur longue structure creuse dont les parois sont constituées de feuilles de carbone épaisses d’un atome, appelées graphène. Ces feuilles sont laminées à des angles spécifiques et discrets (“chiraux”), et la combinaison de l’angle et du rayon de laminage détermine les propriétés du nanotube. par exemple, si la coque d’un nanotube est un métal ou un semi-conducteur. Les nanotubes sont classés en nanotubes à paroi unique (SWNT) et en nanotubes à paroi multiple (MWNT). Les nanotubes individuels s’alignent naturellement dans des “cordes” maintenues ensemble par les forces de van der Waals, plus spécifiquement par pi-empilement.

La chimie quantique appliquée, en particulier l’hybridation orbitale, décrit le mieux la liaison chimique dans les nanotubes. La liaison chimique des nanotubes implique entièrement des atomes de carbone hybrides sp2. Ces liaisons, similaires à celles du graphite et plus solides que celles des alcanes et du diamant (qui utilisent des atomes de carbone hybrides sp3), confèrent aux nanotubes une résistance unique.

Types de nanotubes de carbone et structures associées
Il n’existe pas de consensus sur certains termes décrivant les nanotubes de carbone dans la littérature scientifique: les termes “paroi” et “paroi” sont utilisés en combinaison avec “simple”, “double”, “triple” ou “multi” et la lettre C est souvent omis dans l’abréviation; par exemple, nanotube de carbone à parois multiples (MWNT).

Simple paroi

où a = 0,246 nm.

Les SWNT constituent une variété importante de nanotubes de carbone car la plupart de leurs propriétés changent de manière significative avec les valeurs (n, m) et cette dépendance est non monotone (voir le graphe de Kataura). En particulier, leur bande interdite peut varier de zéro à environ 2 eV et leur conductivité électrique peut présenter un comportement métallique ou semi-conducteur. Les nanotubes à paroi unique sont probablement des candidats pour la miniaturisation de l’électronique. Le fil électrique est la pierre angulaire de ces systèmes. Les SWNT dont le diamètre est de l’ordre du nanomètre peuvent être d’excellents conducteurs. Une des applications utiles des SWNT réside dans le développement des premiers transistors intermoléculaires à effet de champ (FET). La première porte logique intermoléculaire utilisant des FET SWCNT a été réalisée en 2001. Une porte logique nécessite à la fois un p-FET et un n-FET. Comme les SWNT sont des p-FET lorsqu’ils sont exposés à l’oxygène et aux n-FET, il est possible d’exposer la moitié d’un SWNT à l’oxygène et de protéger l’autre moitié de celui-ci. La SWNT résultante agit comme une porte non logique avec des FET de type p et de type n dans la même molécule.

Les prix des nanotubes à paroi simple ont baissé d’environ 1500 dollars par gramme à partir de 2000 à des prix de détail d’environ 50 dollars par gramme de tungstène produit à 40–60% en poids à la date de mars 2010. En 2016, le prix de détail de 75 % en poids de SWNT étaient 2 $ par gramme, assez bon marché pour une utilisation généralisée. Selon le rapport The Global Market for Carbon Nanotubes, les SWNT devraient avoir un impact considérable sur les applications électroniques d’ici 2020.

Multi-parois
Les nanotubes à parois multiples (MWNT) sont constitués de plusieurs couches laminées (tubes concentriques) de graphène. Deux modèles peuvent être utilisés pour décrire les structures de nanotubes à parois multiples. Dans le modèle Russian Doll, les feuilles de graphite sont disposées en cylindres concentriques, par exemple un nanotube (0,8) à paroi unique (SWNT) dans un nanotube à paroi unique plus grand (0,17). Dans le modèle Parchemin, une seule feuille de graphite est enroulée sur elle-même, ressemblant à un parchemin de parchemin ou à un journal roulé. La distance entre les couches dans les nanotubes à parois multiples est proche de la distance entre les couches de graphène dans le graphite, environ 3,4 Å. La structure de la poupée russe est observée plus fréquemment. Ses coques individuelles peuvent être décrites comme des SWNT, qui peuvent être métalliques ou semi-conductrices. En raison de la probabilité statistique et des restrictions sur les diamètres relatifs des tubes individuels, l’un des réservoirs, et donc le MWNT entier, est généralement un métal à gap nul.

Les nanotubes de carbone à double paroi (DWNT) forment une classe particulière de nanotubes car leur morphologie et leurs propriétés sont similaires à celles des SWNT, mais ils sont plus résistants aux produits chimiques. Ceci est particulièrement important lorsqu’il est nécessaire de greffer des fonctions chimiques à la surface des nanotubes (fonctionnalisation) pour ajouter des propriétés au CNT. La fonctionnalisation covalente des SWNT rompra certaines doubles liaisons C = C, laissant des “trous” dans la structure du nanotube, modifiant ainsi ses propriétés mécaniques et électriques. Dans le cas des DWNT, seul le mur extérieur est modifié. La synthèse à l’échelle du gramme de DWNT a été proposée pour la première fois en 2003 par la technique CCVD, à partir de la réduction sélective de solutions d’oxydes dans le méthane et l’hydrogène.

La capacité de mouvement télescopique des coques internes et leurs propriétés mécaniques uniques permettront l’utilisation de nanotubes à parois multiples comme bras principaux mobiles dans les dispositifs nanomécaniques à venir. [Spéculation?] Force de rétraction résultant du mouvement télescopique provoqué par l’interaction Lennard-Jones entre les coques et sa valeur est d’environ 1,5 nN.

Jonctions et réticulation
Les jonctions entre 2 ou plusieurs nanotubes ont été largement discutées en théorie. De telles jonctions sont assez fréquemment observées dans les échantillons préparés par décharge à l’arc ainsi que par dépôt chimique en phase vapeur. Les propriétés électroniques de telles jonctions ont d’abord été examinées théoriquement par Lambin et ses collaborateurs, qui ont souligné qu’une connexion entre un tube métallique et un semi-conducteur représenterait une hétérojonction à l’échelle nanométrique. Une telle jonction pourrait donc former un composant d’un circuit électronique à base de nanotubes. L’image adjacente montre une jonction entre deux nanotubes à parois multiples. Les jonctions entre nanotubes et graphène ont été envisagées de manière théorique, mais n’ont pas été largement étudiées expérimentalement. De telles jonctions forment la base du graphène en pilier, dans lequel des feuilles de graphène parallèles sont séparées par des nanotubes courts. Le graphène en piliers représente une classe d’architectures de nanotubes de carbone en trois dimensions.

Récemment, plusieurs études ont mis en évidence la possibilité d’utiliser des nanotubes de carbone comme éléments de base pour la fabrication de dispositifs macroscopiques tridimensionnels tout carbone (> 100 nm dans les trois dimensions). Lalwani et al. ont rapporté un nouveau procédé de réticulation thermique initié par radical pour fabriquer des échafaudages macroscopiques, autonomes, poreux, tout en carbone, utilisant des nanotubes de carbone à paroi simple et à parois multiples comme blocs de construction. Ces échafaudages possèdent des pores macro, micro et nano structurés et la porosité peut être adaptée à des applications spécifiques. Ces échafaudages / architectures tout carbone en 3D peuvent être utilisés pour la fabrication de la prochaine génération de stockage d’énergie, de supercondensateurs, de transistors à émission de champ, de catalyse à haute performance, de photovoltaïque ainsi que de dispositifs et implants biomédicaux.

Autres morphologies
Les nanobuds de carbone sont un matériau nouvellement créé combinant deux allotropes de carbone précédemment découverts: les nanotubes de carbone et les fullerènes. Dans ce nouveau matériau, des “boutons” de type fullerène sont liés par covalence aux parois latérales extérieures du nanotube de carbone sous-jacent. Ce matériau hybride possède des propriétés utiles à la fois de fullerènes et de nanotubes de carbone. En particulier, ils se sont avérés être de très bons émetteurs de champ. Dans les matériaux composites, les molécules de fullerène attachées peuvent fonctionner comme des ancres moléculaires empêchant le glissement des nanotubes, améliorant ainsi les propriétés mécaniques du composite.

Un peapod de carbone est un nouveau matériau de carbone hybride qui piège le fullerène dans un nanotube de carbone. Il peut posséder des propriétés magnétiques intéressantes avec chauffage et irradiation. Il peut également être appliqué en tant qu’oscillateur lors d’investigations et de prévisions théoriques.

En théorie, un nanotore est un nanotube de carbone plié en un tore (forme de beignet). Les nanotori devraient avoir de nombreuses propriétés uniques, telles que des moments magnétiques 1000 fois plus importants que prévu pour certains rayons spécifiques. Les propriétés telles que le moment magnétique, la stabilité thermique, etc. varient considérablement en fonction du rayon du tore et du rayon du tube.

Les nanotubes de carbone graphénisés sont un hybride relativement nouveau combinant des foliates graphitiques cultivés le long des parois latérales de NTC à parois multiples ou à la manière du bambou. La densité foliaire peut varier en fonction des conditions de dépôt (par exemple, la température et le temps), leur structure allant de quelques couches de graphène (<10) à plus épaisses, de type graphite. L’avantage fondamental d’une structure intégrée graphène-CNT est la structure tridimensionnelle à surface élevée des CNT associée à la haute densité de bord du graphène. Le dépôt d'une grande densité de feuilles de graphène sur toute la longueur des NTC alignés peut augmenter considérablement la capacité de charge totale par unité de surface nominale par rapport aux autres nanostructures de carbone. Les nanotubes de carbone empilés sur des coupelles (CSCNT) diffèrent des autres structures de carbone quasi-1D, qui se comportent normalement comme des conducteurs quasi-métalliques d'électrons. Les CSCNT présentent des comportements semi-conducteurs dus à la microstructure empilée des couches de graphène. Nanotubes de carbone extrêmes L'observation des plus longs nanotubes de carbone produits jusqu'à présent dépasse 1/2 m (550 mm de long) a été rapportée en 2013. Ces nanotubes ont été cultivés sur des substrats de silicium en utilisant une méthode améliorée de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et représentent des réseaux électriquement uniformes de nanotubes de carbone à parois. Le nanotube de carbone le plus court est le composé organique cycloparaphénylène, qui a été synthétisé en 2008. Le nanotube de carbone le plus mince est le fauteuil (2,2) CNT avec un diamètre de 0,3 nm. Ce nanotube a été développé dans un nanotube de carbone à parois multiples. L'attribution de type nanotube de carbone a été réalisée par une combinaison de microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM), de spectroscopie Raman et de calculs de la théorie de la densité fonctionnelle (DFT). Le nanotube de carbone à paroi simple le plus fin et indépendant est d'environ 0,43 nm de diamètre. Les chercheurs ont suggéré qu'il s'agisse de SWCNT (5,1) ou (4,2), mais le type exact de nanotube de carbone reste discutable. Des nanotubes de carbone (3,3), (4,3) et (5,1) (tous d'environ 0,4 nm de diamètre) ont été identifiés sans ambiguïté par microscopie électronique à transmission à haute résolution corrigée des aberrations à l'intérieur de NTC à double paroi. La densité de NTC la plus élevée a été atteinte en 2013, sur une surface de cuivre conductrice revêtue de titane et recouverte de co-catalyseurs, cobalt et molybdène, à des températures inférieures à 450 ° C. Les tubes avaient une hauteur moyenne de 380 nm et une masse volumique de 1,6 g cm-3. Le matériau présentait une conductivité ohmique (résistance la plus basse ∼22 kΩ). Propriétés Mécanique Les nanotubes de carbone sont les matériaux les plus solides et les plus rigides jamais découverts en termes de résistance à la traction et de module d'élasticité, respectivement. Cette résistance résulte des liaisons sp2 covalentes formées entre les atomes de carbone individuels. En 2000, un nanotube de carbone à parois multiples a été testé pour avoir une résistance à la traction de 63 gigapascals (9 100 000 psi). (À titre d'illustration, cela se traduit par la capacité de résister à une tension d'un poids équivalent à 6 422 kilogrammes (62 980 N; 14 160 lbf) sur un câble de section transversale de 1 millimètre carré (0,0016 po²).) D'autres études, telles que Une étude menée en 2008 a révélé que les réservoirs individuels de CNT avaient des forces allant jusqu’à 100 gigapascals (15 000 000 psi), ce qui est en accord avec les modèles quantique / atomistique. Étant donné que les nanotubes de carbone ont une faible densité pour un solide de 1,3 à 1,4 g / cm3, sa résistance spécifique allant jusqu'à 48 000 kN • m • kg − 1 est le meilleur des matériaux connus, comparé à 154 kN • m • d'acier à haute teneur en carbone. kg-1. Bien que la résistance des coques de CNT individuelles soit extrêmement élevée, de faibles interactions de cisaillement entre les coques et les tubes adjacents entraînent une réduction significative de la résistance effective des nanotubes de carbone à parois multiples et des faisceaux de nanotubes de carbone à seulement quelques GPa. On a récemment remédié à cette limitation en appliquant une irradiation électronique à haute énergie, qui réticulait les enveloppes internes et les tubes et augmentait ainsi la résistance de ces matériaux à 60 GPa pour les nanotubes de carbone à parois multiples et à 17 GPa pour les faisceaux de nanotubes de carbone à double paroi. . Les CNT ne sont pas aussi puissants sous compression. En raison de leur structure creuse et de leur allongement élevé, ils ont tendance à se gondoler lorsqu'ils sont soumis à des contraintes de compression, de torsion ou de flexion. D'autre part, il a été prouvé que dans le sens radial, ils sont plutôt mous. La première observation de l'élasticité radiale au microscope électronique à transmission suggérait que même les forces de van der Waals pouvaient déformer deux nanotubes adjacents. Par la suite, plusieurs groupes ont procédé à des nanoindentations au microscope à force atomique afin de mesurer quantitativement l'élasticité radiale de nanotubes de carbone à parois multiples, ainsi qu'une microscopie à force atomique à mode de prise / contact par contact sur des nanotubes de carbone à paroi simple. Le module de Young de l'ordre de plusieurs GPa a montré que les NTC sont en réalité très mous dans le sens radial. Électrique Contrairement au graphène, qui est un semi-métal à deux dimensions, les nanotubes de carbone sont métalliques ou semi-conducteurs le long de l’axe tubulaire. Pour un (n, m) nanotube donné, si n = m, le nanotube est métallique; si n - m est un multiple de 3 et n ≠ m et nm ≠ 0, le nanotube est quasi métallique avec une très faible bande interdite, sinon le nanotube est un semi-conducteur modéré. Ainsi, tous les nanotubes de fauteuil (n = m) sont métalliques et les nanotubes (6,4), (9,1), etc., sont semi-conducteurs. Les nanotubes de carbone ne sont pas semi-métalliques, car le point dégénéré (le point où la bande de π [liaison] rencontre la bande de π * (anti-liaison], où l’énergie passe à zéro) s’éloigne légèrement du point K dans la zone de Brillouin. en raison de la courbure de la surface du tube, provoquant une hybridation entre les bandes anti-liaisons σ * ​​et π *, modifiant la dispersion de la bande. La règle concernant le comportement des métaux par rapport aux semi-conducteurs comporte des exceptions, car les effets de courbure dans les tubes de petit diamètre peuvent fortement influencer les propriétés électriques. Ainsi, un (5,0) SWCNT qui devrait être semi-conducteur est en fait métallique selon les calculs. De même, les SWCNT zigzags et chiraux de petit diamètre qui devraient être métalliques ont un intervalle fini (les nanotubes de fauteuil restent métalliques). En théorie, les nanotubes métalliques peuvent supporter une densité de courant électrique de 4 × 109 A / cm2, soit plus de 1 000 fois supérieure à celle de métaux tels que le cuivre, où, pour les interconnexions en cuivre, les densités de courant sont limitées par électromigration. Les nanotubes de carbone sont donc explorés comme des interconnexions, des composants améliorant la conductivité dans les matériaux composites et de nombreux groupes tentent de commercialiser un fil électrique hautement conducteur assemblé à partir de nanotubes de carbone individuels. Cependant, des défis importants doivent être surmontés, tels que la saturation de courant non souhaitée sous tension, les jonctions beaucoup plus résistives de nanotubes à nanotubes et leurs impuretés, qui abaissent toutes la conductivité électrique des fils de nanotubes macroscopiques de plusieurs ordres de grandeur. à la conductivité des nanotubes individuels. En raison de sa section transversale à l'échelle nanométrique, les électrons ne se propagent que le long de l'axe du tube. Par conséquent, les nanotubes de carbone sont souvent appelés conducteurs unidimensionnels. La conductance électrique maximale d'un nanotube de carbone à paroi simple est 2G0, où G0 = 2e2 / h est la conductance d'un seul canal quantique balistique. Du fait du rôle du système à électrons n dans la détermination des propriétés électroniques du graphène, le dopage dans les nanotubes de carbone diffère de celui des semi-conducteurs cristallins en masse du même groupe de la classification périodique (par exemple, le silicium). La substitution graphitique des atomes de carbone dans la paroi du nanotube par des dopants au bore ou à l'azote conduit respectivement à un comportement de type p et de type n, comme on pourrait s'y attendre dans le silicium. Cependant, certains dopants non substitués (intercalés ou adsorbés) introduits dans un nanotube de carbone, tels que les métaux alcalins ainsi que les métallocènes riches en électrons, conduisent à une conduction de type n car ils donnent des électrons au système à électrons n du nanotube. En revanche, les accepteurs d'électrons n tels que FeCl3 ou les métallocènes déficients en électrons fonctionnent comme des dopants de type p car ils retirent les électrons n du sommet de la bande de valence. La supraconductivité intrinsèque a été rapportée, bien que d’autres expériences n’aient trouvé aucune preuve de cela, laissant la revendication sujet à débat. Optique Les nanotubes de carbone ont des propriétés utiles d’absorption, de photoluminescence (fluorescence) et de spectroscopie Raman. Les méthodes spectroscopiques offrent la possibilité d'une caractérisation rapide et non destructive de quantités relativement importantes de nanotubes de carbone. Il existe une forte demande pour une telle caractérisation du point de vue industriel: de nombreux paramètres de la synthèse de nanotubes peuvent être modifiés, intentionnellement ou non, pour modifier la qualité des nanotubes. Comme indiqué ci-dessous, les spectroscopies d'absorption optique, de photoluminescence et Raman permettent une caractérisation rapide et fiable de cette "qualité de nanotube" en termes de teneur en carbone non tubulaire, de structure (chiralité) des nanotubes produits et de défauts de structure. Ces caractéristiques déterminent presque toutes les autres propriétés telles que les propriétés optiques, mécaniques et électriques. Les nanotubes de carbone sont des "systèmes unidimensionnels" uniques qui peuvent être envisagés comme des feuilles simples laminées de graphite (ou plus précisément de graphène). Ce laminage peut être effectué à différents angles et courbures, ce qui donne différentes propriétés de nanotubes. Le diamètre varie généralement entre 0,4 et 40 nm (c'est-à-dire "seulement" environ 100 fois), mais sa longueur peut varier d'environ 100 000 000 000 fois, de 0,14 nm à 55,5 cm. Le rapport de longueur des nanotubes, ou rapport longueur-diamètre, peut atteindre 132 000 000: 1, ce qui est inégalé par tout autre matériau. Par conséquent, toutes les propriétés des nanotubes de carbone par rapport à celles de semi-conducteurs typiques sont extrêmement anisotropes (dépendant de la direction) et ajustables. Alors que les propriétés mécaniques, électriques et électrochimiques (supercondensateurs) des nanotubes de carbone sont bien établies et ont des applications immédiates, l’utilisation pratique des propriétés optiques n’est pas encore claire. L'accordabilité des propriétés susmentionnée est potentiellement utile en optique et en photonique. En particulier, des diodes électroluminescentes (DEL) et des photo-détecteurs basés sur un nanotube unique ont été produits en laboratoire. Leur particularité n’est pas l’efficacité, qui est encore relativement faible, mais la sélectivité étroite de la longueur d’onde d’émission et de détection de la lumière et la possibilité de l’affiner à travers la structure du nanotube. En outre, des dispositifs de bolomètre et de mémoire optoélectronique ont été réalisés sur des ensembles de nanotubes de carbone à paroi unique. Les défauts cristallographiques affectent également les propriétés électriques du tube. Un résultat courant est une conductivité réduite à travers la région défectueuse du tube. Un défaut dans les tubes de type fauteuil (pouvant conduire l'électricité) peut rendre la région environnante semi-conductrice, et une simple vacance monoatomique induit des propriétés magnétiques. Thermique Tous les nanotubes devraient être de très bons conducteurs thermiques le long du tube, présentant une propriété connue sous le nom de "conduction balistique", mais de bons isolants latéraux à l'axe du tube. Les mesures montrent qu'un SWNT individuel a une conductivité thermique à la température ambiante d'environ 3 500 W • m − 1 • K − 1 le long de son axe; comparez cela au cuivre, un métal bien connu pour sa bonne conductivité thermique, qui transmet 385 W • m − 1 • K − 1. Un SWNT individuel a une conductivité thermique à la température ambiante autour de son axe (dans la direction radiale) d’environ 1,52 W • m -1, K -1, qui est à peu près aussi thermiquement conductrice que le sol. Les assemblages macroscopiques de nanotubes tels que des films ou des fibres ont atteint jusqu'à 1500 W • m − 1 • K − 1 jusqu'à présent. La stabilité en température des nanotubes de carbone est estimée à 2800 ° C sous vide et à environ 750 ° C sous air. Les défauts cristallographiques affectent fortement les propriétés thermiques du tube. De tels défauts conduisent à la diffusion de phonons, ce qui augmente le taux de relaxation des phonons. Cela réduit le libre parcours moyen et réduit la conductivité thermique des structures de nanotubes. Les simulations de transport de phonons indiquent que des défauts de substitution tels que l'azote ou le bore conduiront principalement à la diffusion de phonons optiques à haute fréquence. Cependant, les défauts à plus grande échelle, tels que ceux de Stone Wales, entraînent la diffusion de phonons sur une large plage de fréquences, ce qui entraîne une réduction plus importante de la conductivité thermique. Synthèse Des techniques ont été développées pour produire des nanotubes en quantités importantes, notamment la décharge en arc, l'ablation au laser, le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et la dismutation du monoxyde de carbone à haute pression (HiPCO). Parmi ces décharges d'arc, l'ablation au laser, le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) sont un procédé discontinu et HiPCO est un processus continu en phase gazeuse. La plupart de ces processus se déroulent sous vide ou avec des gaz de traitement. La méthode de croissance par CVD est populaire car elle donne une quantité élevée et permet un certain contrôle sur le diamètre, la longueur et la morphologie. En utilisant des catalyseurs particulaires, de grandes quantités de nanotubes peuvent être synthétisées par ces méthodes, mais l'obtention de la répétabilité devient un problème majeur pour la croissance des CVD. Les progrès du procédé HiPCO dans la catalyse et la croissance continue rendent les NTC plus viables sur le plan commercial. Le processus HiPCO aide à produire des nanotubes de carbone à paroi unique de haute pureté en plus grande quantité. Le réacteur HiPCO fonctionne à haute température 900-1100 ° C et haute pression ~ 30-50 bars. Il utilise du monoxyde de carbone comme source de carbone et du nickel / penta carbonyle de fer comme catalyseur. Ce catalyseur sert de site de nucléation pour la croissance des nanotubes. Des matrices de nanotubes de carbone alignées verticalement sont également cultivées par dépôt thermique en phase vapeur. Un substrat (quartz, silicium, acier inoxydable, etc.) est recouvert d'une couche de métal catalytique (Fe, Co, Ni). Cette couche est généralement constituée de fer et est déposée par pulvérisation cathodique sur une épaisseur de 1 à 5 nm. Une sous-couche d'alumine de 10 à 50 nm est souvent également déposée en premier sur le substrat. Ceci confère un mouillage contrôlable et de bonnes propriétés interfaciales. Lorsque le substrat est chauffé à la température de croissance (~ 700 ° C), le film de fer continu se décompose en petites îles… chaque île nucléant alors un nanotube de carbone. L'épaisseur pulvérisée contrôle la taille de l'île, ce qui détermine à son tour le diamètre du nanotube. Des couches de fer plus fines entraînent le diamètre des îles et le diamètre des nanotubes cultivés. Le temps pendant lequel l'îlot métallique peut rester assis à la température de croissance est limité, car ils sont mobiles et peuvent fusionner pour former des îles plus grandes (mais moins nombreuses). Le recuit à la température de croissance réduit la densité du site (nombre de NTC / mm2) tout en augmentant le diamètre du catalyseur. Les nanotubes de carbone tels qu'ils sont préparés contiennent toujours des impuretés telles que d'autres formes de carbone (carbone amorphe, fullerène, etc.) et des impuretés non carbonées (poids métalliques utilisés comme catalyseur). Ces impuretés doivent être éliminées pour pouvoir utiliser les nanotubes de carbone dans les applications. Métrologie Il existe de nombreuses normes de métrologie et matériaux de référence disponibles pour les nanotubes de carbone. Pour les nanotubes de carbone à paroi unique, l'ISO / TS 10868 décrit une méthode de mesure du diamètre, de la pureté et de la fraction des nanotubes métalliques par spectroscopie d'absorption optique, tandis que l'ISO / TS 10797 et l'ISO / TS 10798 établissent des méthodes pour caractériser la morphologie et la composition élémentaire. de nanotubes de carbone à paroi unique, utilisant respectivement la microscopie électronique à transmission et la microscopie électronique à balayage, couplés à une analyse par spectrométrie à rayons X à dispersion d'énergie. Pour les nanotubes de carbone à parois multiples, l'ISO / TR 10929 identifie les propriétés de base et le contenu en impuretés, tandis que l'ISO / TS 11888 décrit la morphologie à l'aide de la microscopie électronique à balayage, de la microscopie électronique à transmission, de la viscosimétrie et de l'analyse de diffusion de la lumière. L'ISO / TS 10798 est également valable pour les nanotubes de carbone à parois multiples. Modification chimique Les nanotubes de carbone peuvent être fonctionnalisés pour obtenir les propriétés souhaitées pouvant être utilisées dans une grande variété d'applications. Les deux méthodes principales de fonctionnalisation des nanotubes de carbone sont les modifications covalentes et non covalentes. En raison de leur nature hydrophobe apparente, les nanotubes de carbone ont tendance à s'agglomérer, ce qui nuit à leur dispersion dans les solvants ou les masses de polymère visqueuses. Les faisceaux ou agrégats de nanotubes résultants réduisent les performances mécaniques du composite final. La surface des nanotubes de carbone peut être modifiée pour réduire le caractère hydrophobe et améliorer l’adhésion interfaciale à un polymère en vrac par fixation chimique. La surface des nanotubes de carbone peut également être fluorée ou halofluorée par la méthode CVD avec des fluorocarbones, des hydrocarbures hydro ou halofluorocarbonés par chauffage au contact de ce matériau carboné avec une substance fluoro-organique pour former des carbones partiellement fluorés (également appelés matériaux Fluocar) avec du fluoroalkyle greffé. fonctionnalité. Applications Actuel L'utilisation et l'application actuelles des nanotubes se sont principalement limitées à l'utilisation de nanotubes en vrac, qui sont une masse de fragments de nanotubes plutôt non organisés. Les matériaux en vrac de nanotubes peuvent ne jamais atteindre une résistance à la traction similaire à celle de tubes individuels, mais de tels composites peuvent néanmoins présenter des résistances à la rupture suffisantes pour de nombreuses applications. Des nanotubes de carbone en vrac ont déjà été utilisés comme fibres composites dans des polymères afin d'améliorer les propriétés mécaniques, thermiques et électriques du produit en vrac. Easton-Bell Sports, Inc., partenaire de Zyvex Performance Materials, utilise la technologie CNT dans plusieurs composants de son vélo, notamment des guidons plats et de contremarche, des manivelles, des fourches, des tiges de selle, des potences et des barres aérodynamiques. Zyvex Technologies a également construit un navire maritime de 54 ', le navire de surface non habité Piranha, comme démonstrateur technologique de ce qui est possible avec la technologie CNT. Les CNT aident à améliorer les performances structurelles du navire. Il en résulte un bateau léger de 8 000 lb pouvant supporter une charge utile de 15 000 lb sur une distance de 2 500 milles. Amroy Europe Oy fabrique des résines de nanoépoxy de carbone Hybtonite dans lesquelles des nanotubes de carbone ont été activés chimiquement pour se lier à l'époxy, donnant ainsi un matériau composite 20% à 30% plus résistant que les autres matériaux composites. Il a été utilisé pour les éoliennes, les peintures marines et divers équipements sportifs tels que les skis, les bâtons de hockey sur glace, les battes de baseball, les flèches de chasse et les planches de surf. La société Boeing a breveté l'utilisation de nanotubes de carbone pour la surveillance de l'état structurel des composites utilisés dans les structures d'aéronefs. Cette technologie réduira considérablement le risque de défaillance en vol causée par la dégradation structurelle des aéronefs. Les autres applications actuelles incluent: conseils pour sondes de microscope à force atomique en ingénierie tissulaire, les nanotubes de carbone peuvent agir comme un échafaudage pour la croissance osseuse Les recherches actuelles sur les applications modernes comprennent: utiliser des nanotubes de carbone comme support pour diverses techniques de microfabrication. dissipation d'énergie dans des nanostructures auto-organisées sous l'influence d'un champ électrique. utiliser des nanotubes de carbone pour la surveillance de l'environnement en raison de leur surface active et de leur capacité à absorber les gaz. Potentiel La force et la flexibilité des nanotubes de carbone en font des outils potentiellement utiles pour contrôler d’autres structures à l’échelle nanométrique, ce qui donne à penser qu’elles joueront un rôle important dans l’ingénierie des nanotechnologies. La résistance à la traction la plus élevée d'un nanotube de carbone à parois multiples et individuel a été testée à 63 GPa. Des nanotubes de carbone ont été découverts dans l’acier de Damas à partir du XVIIe siècle, contribuant probablement à expliquer la force légendaire des épées qui en sont faites. Récemment, plusieurs études ont mis en évidence la possibilité d'utiliser des nanotubes de carbone comme éléments de base pour la fabrication de dispositifs tout-carbone macroscopiques tridimensionnels (> 1 mm dans les trois dimensions). Lalwani et al. ont rapporté un nouveau procédé de réticulation thermique initié par radical pour fabriquer des échafaudages macroscopiques, autonomes, poreux, tout en carbone, utilisant des nanotubes de carbone à paroi simple et à parois multiples comme blocs de construction. Ces échafaudages possèdent des pores macro, micro et nano structurés et la porosité peut être adaptée à des applications spécifiques. Ces échafaudages / architectures tout carbone en 3D peuvent être utilisés pour la fabrication de la prochaine génération de stockage d’énergie, de supercondensateurs, de transistors à émission de champ, de catalyse à haute performance, de photovoltaïque ainsi que de dispositifs et implants biomédicaux.

Les CNT sont des candidats potentiels pour les futurs circuits via et câblés dans des circuits VLSI à l’échelle nanométrique. En éliminant les problèmes de fiabilité de l’électromigration, qui préoccupent les interconnexions en Cu actuelles, les NTC isolés (à paroi unique et à parois multiples) peuvent supporter des densités de courant supérieures à 1 000 MA / cm 2 sans dommages causés par l’électromigration.

De grandes quantités de NTC purs peuvent être transformées en une feuille ou un film autoportant grâce à la technique de fabrication SETC (coulée sur bande à technologie de surface), qui est une méthode évolutive de fabrication de feuilles souples et pliables dotées de propriétés supérieures. Un autre facteur de forme signalé est la fibre de CNT (aka filament) par filage humide. La fibre est soit directement issue du pot de synthèse, soit à partir de NTC pré-fabriqués dissous. Des fibres individuelles peuvent être transformées en un fil. Outre sa solidité et sa flexibilité, le principal avantage est de fabriquer un fil électriquement conducteur. Les propriétés électroniques de chaque fibre de CNT (c’est-à-dire le faisceau de chaque CNT) sont régies par la structure bidimensionnelle des CNT. Les résistances mesurées aux fibres ont été mesurées à un ordre de grandeur supérieur à celui des conducteurs métalliques à 300K. En optimisant davantage les fibres de NTC et de NTC, des fibres de NTC dotées de propriétés électriques améliorées pourraient être développées.

Les fils à base de CNT conviennent aux applications du traitement de l’énergie et de l’eau électrochimique lorsqu’ils sont revêtus d’une membrane échangeuse d’ions. En outre, les fils à base de CNT pourraient remplacer le cuivre en tant que matériau d’enroulement. Pyrhönen et al. (2015) ont construit un moteur utilisant un enroulement CNT.

Sécurité et santé
L’Institut national pour la sécurité et la santé au travail (NIOSH) est le principal organisme fédéral américain à mener des recherches et à donner des orientations sur les implications et les applications de la nanotechnologie pour la sécurité et la santé au travail. Les premières études scientifiques ont montré que certaines de ces nanoparticules pourraient présenter un risque plus grand pour la santé que la plus grande quantité en vrac de ces matériaux.En 2013, le NIOSH a publié un Current Intelligence Bulletin détaillant les dangers potentiels et la limite d’exposition recommandée pour les nanotubes et les fibres de carbone.

Depuis octobre 2016, les nanotubes de carbone à paroi unique ont été enregistrés dans le cadre de la réglementation REACH (Enregistrement, évaluation, autorisation et restrictions des substances chimiques) de l’Union européenne, basée sur l’évaluation des propriétés potentiellement dangereuses des SWCNT. Sur la base de cet enregistrement, la commercialisation des SWCNT est autorisée dans l’UE jusqu’à 10 tonnes métriques. Actuellement, le type de SWCNT enregistré par REACH est limité au type spécifique de nanotubes de carbone à paroi unique fabriqués par OCSiAl, qui a soumis la demande.