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Les nanotubes de carbone Sébastien Allouche Céline Babault Michael Barateau Marion Beguerie Louise Bouchet Marina Dubois Benoît Garlet Camille Favre.

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1 Les nanotubes de carbone Sébastien Allouche Céline Babault Michael Barateau Marion Beguerie Louise Bouchet Marina Dubois Benoît Garlet Camille Favre

2 2 Les nanotubes de carbone Introduction A léchelle du nanomètre, les lois physiques sont différentes. Lorsque la taille des particules décroît jusquà atteindre des dimensions nanométriques, les propriétés et le comportement de ces dernières évoluent. Intérêts des nanomatériaux : Résistance et légèreté Effet catalytique Effet antiseptique Conductivité Propriétés optiques Christelle Gallet, cours sur la maitrise des matériaux Nanotube - fullerèneCelluleFourmisCactusEpaisseur dun cheveu

3 3 Les nanotubes de carbone Introduction Domaines dapplication Nanomatériaux Controverse : Effet sur la santé ? Effet sur lenvironnement ? Médical Pansements Tests de grossesse Alimentaire Emballages Denrées Cosmétique Lotions solaires Crèmes Energie Panneaux photovoltaïques Stockage Sport Raquettes Vélos

4 I. Structure et propriétés II. Synthèse et toxicité III. Applications 4 Les nanotubes de carbone Sommaire

5 Le graphène : Feuillet de carbone formant des hexagones Les nanotubes : Nanotube monocouche (SNTC) : un seul feuillet de graphène, structure anisotrope Diamètre : environ 1nm / Longueur : environ 1μm Nanotube multicouche (MNTC) : 2 à 40 feuillets de graphène, structure turbostratique : tubes concentriques Diamètre : 2 à 25 nm / Longueur : 20 à 80 μm Distance interfeuillet : 0.3 à 0.4 nm 5 Les nanotubes de carbone I. Structure et propriétés New England Post, MIT Discovers that Graphene can Generate Electric Current, Erik Devaney (2011) Cours de physique du solide, CEA, Cyrille Barreteau Manuscrit Chapitre 1 : les nanotubes de carbone, Pierre R. Marcoux (2009) Les fullerènes : Structure composée d'hexagones et d'au moins 12 pentagones permettant la fermeture graphène enroulé demi-fullerène

6 Zig Zag : θ = 0° Si m=0 6 I. Structure et propriétés Les nanotubes de carbone Structure des nanotubes Les nanotubes se ferment de trois manières différentes : Chiral : 0° < θ < 30° coordonnées : (n,m) Cours de physique du solide, CEA, Cyrille Barreteau Créneaux (armchair) : θ = 30° Si m=n

7 7 I. Structure et propriétés Les nanotubes de carbone Propriétés électriques Nanotube métallique ou semi - conducteur selon le diamètre et l'angle chiral Repliement (n, n) tubes métalliques Repliement (n, m) (n-m non multiple de 3) tubes semi-conducteurs de faible gap Autres nanotubes semi-conducteurs ou isolants Métal : passage dun courant électrique pour une très petite tension Grand gap : Isolant Pas de courant électrique Petit gap : Semi-conducteur Le courant passe à partir dune certaine tension Gap = Différence entre le dernier niveau rempli (niveau de Fermi E F ) et premier niveau vide Pascale Launois, cours "les nanotubes de carbone" Manuscrit Chapitre 1 : les nanotubes de carbone, Pierre R. Marcoux (2009)

8 I. Structure et propriétés Les nanotubes de carbone 8 Propriétés mécaniques Rigidité et résistance : Module d'élasticité (module d'Young E) : mesure de la déformation en fonction de la contrainte Grande rigidité et résistance grâce à des liaisons C-C très fortes Flexibilité : Repose sur la capacité des atomes de C à se réorganiser en pentagones et heptagones F (SNTC) = 0.2 à 1.2 TPacourbure réversible jusqu'à un angle critique de 110° F (MNTC) = 3 à 30 TPa Nanotubes SOUPLES et SOLIDES Bernholc et al. (1998) SNTCMNTCAcier Module d'Young1TPa1.3 TPa0.1 TPa Contrainte à la rupture45 GPa150 GPa2 GPa Bernholc et al. (1998)

9 Propriétés thermiques Conductivité supérieure à celle des meilleurs conducteurs thermiques connus ( W/mK) Emission de champ Nanotubes placés parallèlement à un champ électrique : génération d'un champ électrique colossal aux extrémités arrachement d'électrons émis vers l'extérieur Chimiques fonctionnalisation de la surface dopage : atomes ou molécules intercalés entre les nanotubes mono-feuillet ou entre les différentes parois d'un nanotube multi-feuillets remplissage par capillarité du nanotube Surface spécifique élevée : très bonne capacité d'adsorption (2700 m²/g pour les SNTC et 1300m²/g pour les MNTC) I. Structure et propriétés Les nanotubes de carbone 9 SNTCMNTC Conductivité thermique (W/mK) 6000< 2000

10 10 Les nanotubes de carbone II. Synthèse et toxicité Arc électrique Ablation laser Méthode physique Dépôt en phase vapeur Température : °C Rendement : jusquà 100% Diamètre et longueur contrôlables NTC de grande qualité Méthode chimique Thèse, Université de Toulouse III, Pacchini Sébastien, 2008

11 CVD : Température: °C Pression (1 à 10 atm) Composition des gaz Deux étapes: Préparation du catalyseur Synthèse des nanotubes 11 Les nanotubes de carbone II. Synthèse et toxicité Voie de synthèse par dépôt en phase vapeur (CVD) Source de carbone en phase gazeuse (CH 3, CO, C 2 H 4 ). Source dénergie Catalyseur (Ni, Fe ou Co). Thèse, Université de Toulouse III, Pacchini Sébastien, 2008

12 Synthèse SNTC : Température : °C Diamètre 1,1 nm Rendement : 97% Taux de production : 40 kg/h (Carbon Nanotechnologies INC) 12 II. Synthèse et toxicité Les nanotubes de carbone Ce processus permet la production en bloc des nanotubes de carbone. Voie de synthèse par CVD, décomposition de CO à haute pression Équation de Boudouard 2 CO CO 2 + C Thèse, Université de Toulouse III, Pacchini Sébastien, 2008

13 13 II. Synthèse et toxicité Les nanotubes de carbone voies dexposition potentielles aux nanoparticules : linhalation lingestion le contact cutané la voie parentérale (en cas dapplications biomédicales) biopersistance des particules solides dans lorganisme due à : la durabilité la vitesse délimination par les processus biologiques (clairance) Carbone : 18% en poids du corps humain (carbohydrates, protéines, graisses, ADN, ARN) Toxicité des nanotubes de carbone Nanotubes de carbone, Anses, février 2011

14 14 II. Synthèse et toxicité Les nanotubes de carbone létat dagglomération et / ou dagrégation la composition chimique et la structure cristalline la taille de particules et distribution la forme, la cristallinité et / ou la morphologie la solubilité, la dispersabilité laire de surface, la surface spécifique la chimie de surface la densité surfacique de charge. Facteurs : Potentiel mutagène Effet cancérigène semblable à une exposition à lamiante Effet immunotoxique. Études : Toxicité des nanotubes de carbone Etudes fondamentales complémentaires. Granulome de NTC alvéole pulmonaire Nanotubes de carbone, Anses, février 2011

15 15 Les nanotubes de carbone Propriétés physiques Propriétés chimiques Propriétés électriques Cadre de vélo en résine renforcée aux NTC Stockage de l'hydrogène Utilisation des NTC en catalyse Utilisation des NTC en connectique III. Applications www-dsm.cea.fr

16 16 Les nanotubes de carbone Rigidité 1kg de fil daraignée peut arrêter un projectile de 400 kg lancé à 100km/h Quelques grammes de nanotubes arrêtent 1500 kg lancés à 100km/h Applications : Gilets pare-balles, casques, vêtements de protection, raquettes de tennis, pièces de voiture... Addition de NTC dans un polymère : Conductivité Polymère élastique rendu conducteur par addition de NTC Un exemple : les matériaux composites Augmentation du module dYoung III. Applications

17 17 Les nanotubes de carbone Un exemple : les matériaux composites Propriétés mécaniques du composite NTC/Polymère III. Applications NTC liés par des liaisons de Van Der Waals Rupture des liaisons par sonication Agrégation NTC long cause des enchevêtrements, d'où moins bonne dispersité NTC enchevêtrés: augmentation de l'élasticité NTC peu enchevêtrés: augmentation de la rigidité Longueur meilleurs effets lors d'un alignement parfait possible extrusion du composite pour orienter les NTC Orientation traitement de surface nécessaire Adhésion NTC/composite NTC multicouches plus résistants (mais moins conducteurs) Nombre de couches

18 18 Les nanotubes de carbone Un exemple : support de catalyse Décomposition de l'hydrazine 1.3 N 2 H 4 4 NH 3 + N 2 2.N 2 H 4 N H NH 3 + N 2 H 4 3 N H 2 Réactions exothermiques Catalyseur : iridium métallique supporté par NTC Utilisation dans les moteurs à faible poussée et grande précision Synthèse de Fischer Tropsch H 2 + CO -> Alcanes + H 2 O Catalyseur : Fe ou Co supporté par NTC III. Applications

19 19 Les nanotubes de carbone Piles à combustibles : réservoirs à hydrogène actuellement encombrants Avec NTC : Multi Couche Mono Couche Physisorption de l'hydrogène, grâce à la grande surface spécifique des NTC Restitution de l'hydrogène après chauffage des NTC Un exemple : stockage de lhydrogène III. Applications

20 20 Les nanotubes de carbone Conclusion Nanotube de carbone: enjeu pour le futur Synthèses de plus en plus efficace en vue dune industrialisation Utilisés dans le domaine du sport et dans les technologies de pointes Recherches sur la toxicité

21 21 Les nanotubes de carbone Bibliographie Thèse, Dr. DanElgrabli, Université Paris 7, 2008 Thèse, Dr Flahaut, Université Paul Sabatier, Toulouse, 1999 Site du CNRS INRS - Hygiène et sécurité du travail - Cahier de notes documentaires - les nanotubes de carbone : quels risques, quelle prévention ? - Myriam Ricaud, Dominique Lafond, Frédérique Roos (2008) Cours de physique du solide, CEA, Cyrille Barreteau Manuscrit Chapitre 1 : les nanotubes de carbone, Pierre R. Marcoux, 2009 cours « les nanotubes de carbone », Pascale Launois Renfort mécanique des composites par les nanotubes de carbone, J-P. Salvetat, P. Poulin, 2007 Toxicité et écotoxicité des nanotubes de carbone, ANSES, février 2011


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