Les nanotubes de carbone : quelques généralités

Qu’est ce qu’un nanotube de carbone ?

Les NTC, ont été observés pour la première fois par Endo et al. en 1974 (Endo, 2002) et publiés par Iijima en 1991 (Iijima, 1991). Ils forment l’un des quatre états organisés connus du carbone sur terre, avec le graphite, le diamant et les fullerènes. Ils sont formés d’une feuille de graphène enroulée sur elle-même . On peut ainsi distinguer 2 types de NTC. Les NTC simple feuillet (SWCNT) ne possédant qu’une seule paroi et les NTC multi-feuillets (MWCNT) constitués par plusieurs parois concentriques où les atomes de carbone sont organisés en réseaux d’hexagones. Leurs dimensions varient de quelques microns à quelques dizaines de microns de longueur et de quelques nanomètres à quelques dizaines de nanomètres de diamètre. Au sein de cette structure, les atomes de carbone sont hybridés sous forme sp2 comme dans le graphène (Dresselhaus et al., 1996).

Comment produire un nanotube de carbone ?

Lors de leur découverte, les NTC ont été produits par la méthode de décharge d’arc (Iijima, 1991). Depuis, de nombreuses méthodes ont été mises au point, conduisant préférentiellement à la production de NTC mono ou multi-parois avec un degré de pureté plus ou moins élevé.

Décharge électrique
Cette méthode nécessite la mise en place de 2 barreaux de graphite au niveau de l’anode et de la cathode. Une différence de potentiel d’environ 25V est alors appliquée sous un flux de gaz neutre tel que l’hélium afin d’assurer le refroidissement du système. Le passage d’un courant électrique (de 50 à 150 A) va alors entraîner la vaporisation des atomes de carbone présents au niveau de l’anode froide afin de permettre la croissance du NTC au niveau de la cathode chaude (environ 3000°C)  (Iijima, 1991).

La production de nanotubes par cette méthode s’accompagne de la production d’impuretés carbonées comme le fullerène, le carbone amorphe et d’autres nanoparticules (Ajayan et Lijima, 1992). En présence de métaux de transition tels que le nickel, le fer ou le cobalt, on observe la production de SWCNT (Iijima et Ichihashi, 1993). Les MWCNT peuvent également être produits en utilisant un mélange de métaux (Fe/Ni, Co/Ni, Co/Pt) (Journet et al., 1997). Les nanotubes ainsi obtenus nécessiteront une étape de purification car le rendement de cette méthode est seulement de 20%

Vaporisation laser
Cette méthode consiste en l’évaporation d’une cible contenant du carbone, du nickel et du cobalt à l’aide d’un laser dans un four chauffé à 1200°C. Après avoir été produits à proximité de la cible avec un rendement de 70 à 80%, les NTC sont transportés à l’aide d’un flux d’argon au niveau d’un collecteur de cuivre refroidi par de l’eau.   (Guo et al., 1995). L’utilisation de cette méthode conduit préférentiellement à la production de SWCNT.

Propriétés et applications des nanotubes de carbone

Si les NTC suscitent un tel engouement, c’est en particulier dû à leurs propriétés physicochimiques qui permettent d’envisager leur utilisation dans de nombreux domaines industriels.

Propriétés électriques
Les NTC sont des semi-conducteurs, c’est-à-dire qu’ils offrent la capacité de réguler la quantité mais aussi la direction du courant d’un champ électrique. Cette régulation est rendue possible en agissant au niveau de la chiralité (Odom et al., 1998) et des forces de traction exercées sur les NTC (Heyd et al., 1997). Par ailleurs, les NTC possédent également une faible résistance électrique et sont capables d’annuler un champ magnétique (Brozdnichenko et al., 2007). Ainsi, leur utilisation permettrait de minimiser les pertes d’énergie .

Propriétés mécaniques
Les NTC possèdent également des propriétés mécaniques remarquables. En dépit de leur faible taille, les NTC sont à l’heure actuelle le matériau le plus résistant sur la terre (100 fois plus résistants que l’acier et 4 fois plus que le fil d’araignée) (Yakobson et Smalley, 1998) et ils possèdent une grande élasticité (Lu, 1997).

Propriétés chimiques
Constitués d’atomes de carbone, les NTC sont très peu réactifs chimiquement. Seuls les pentagones et les défauts structuraux permettent d’initier les attaques chimiques. Ainsi, leur structure creuse permet, après l’ajout de métaux, d’envisager la production de nanofils ou encore, après fixation de molécules chimiques à la surface des NTC, de favoriser une réaction chimique (Hirsch, 2002).

Autres propriétés
La conductivité thermique des NTC est supérieure à celle du diamant. Par ailleurs, les NTC sont capables d’absorber 99,9% de la lumière, ce qui est 3 fois mieux que l’alliage nickelphosphore réputé comme étant le matériau le plus sombre (Yang et al., 2008) .

Applications
En raison de ces nombreuses propriétés, la production mondiale de nanotubes de carbone atteint aujourd’hui plusieurs centaines de tonnes par an. Ils sont présents dans les écrans plats, les microprocesseurs, l’automobile (les pneumatiques, Renault et Peugeot expérimentent des nanotubes de carbone en renfort des pièces de carrosserie), les articles de sport (le premier cadre de vélo comportant des nanotubes de carbone concourait au dernier tour de France, les raquettes de tennis), dans l’industrie pharmaceutique pour favoriser le passage de la barrière hémato encéphalique ou en tant que vecteur de médicament… Plus précisément, dans le domaine médical, les NTC peuvent avoir de nombreuses applications (Boczkowski et Lanone, 2007). Par exemple, lors de maladies auto-immunes, des NTC interagissant avec des protéines spécifiques, permettraient la reconnaissance d’anticorps exprimés lors de ces maladies et d’en permettre le diagnostic (Chen et al., 2003). Au niveau thérapeutique, Pantarotto et al. ont montré que des SWCNT fonctionnalisés sont capables de traverser la membrane d’un fibroblaste et de s’accumuler dans le cytoplasme sans induire de cytotoxicité (Pantarotto et al., 2004). Ces résultats laissent envisager l’utilisation de ces particules comme vecteur de médicament. Enfin nous pouvons citer un dernier exemple d’utilisation en thérapie des NTC. Lors de leurs travaux, Kam et al. ont fonctionnalisé un SWCNT avec une protéine spécifique des récepteurs aux folates présents au niveau des cellules cancéreuses. Ils ont montré que des SWCNT ainsi fonctionnalisés se retrouvent dans le cytoplasme des cellules cancéreuses. Ainsi, et grâce à la capacité des SWCNT à absorber la lumière dans le proche infrarouge, les cellules cancéreuses peuvent être détruites (Kam et al., 2005). Un grand nombre d’autres applications connues sont ainsi recensées sur un site internet (Nanotechnologies-project, 2007). Cependant, les effets sur la santé humaine et l’environnement sont encore mal connus.