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Présentation de connaissance et comportement des matériaux Les nanotubes de carbone Année académique 2004-2005.

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1 Présentation de connaissance et comportement des matériaux Les nanotubes de carbone Année académique

2 Présentation de connaissance et comportement des matériaux: les nanotubes de carbonePlan Présentation des NTC Présentation des NTC Structure des NTC Structure des NTC Synthèse des NTC (Haute et moyenne T°) Synthèse des NTC (Haute et moyenne T°) Auto-assemblage des NTC Auto-assemblage des NTC Propriétés mécaniques, électriques, électroniques, optiques, chimiques et thermiques Propriétés mécaniques, électriques, électroniques, optiques, chimiques et thermiques Applications Applications

3 Présentation de connaissance et comportement des matériaux: les nanotubes de carbone Nanotubes de carbone Découvert en 1991 par Iijima. Découvert en 1991 par Iijima. Plusieurs m de longueur et nm de diamètre. Plusieurs m de longueur et nm de diamètre. Structure cristalline de forme tubulaire, creuse et close. Structure cristalline de forme tubulaire, creuse et close. Atomes disposés en hexagones Atomes disposés en hexagones

4 Présentation de connaissance et comportement des matériaux: les nanotubes de carbone Structure des NTC Enroulement dun plan dhexagones de façon à former un cylindre = superposer 2 hexagones. Enroulement dun plan dhexagones de façon à former un cylindre = superposer 2 hexagones. Fermeture: introduire un défaut de courbure (pentagone). Fermeture: introduire un défaut de courbure (pentagone).

5 Présentation de connaissance et comportement des matériaux: les nanotubes de carbone Structure des NTC Hélicité : fonction des 2 hexagones superposés. Influe directement sur la structure du NTC. Hélicité : fonction des 2 hexagones superposés. Influe directement sur la structure du NTC.

6 Présentation de connaissance et comportement des matériaux: les nanotubes de carbone Synthèse des NTC Existence à létat naturel? Existence à létat naturel? Objectifs : produire des nanotubes à grande échelle et de façon contrôlée. Objectifs : produire des nanotubes à grande échelle et de façon contrôlée. Synthèse à haute température. Synthèse à haute température. Synthèse à moyenne température. Synthèse à moyenne température.

7 Présentation de connaissance et comportement des matériaux: les nanotubes de carbone Synthèse à haute température Evaporer le carbone graphite et le condenser. Besoin dun fort gradient de température et dun gaz inerte( ex: He) Evaporer le carbone graphite et le condenser. Besoin dun fort gradient de température et dun gaz inerte( ex: He) Arc électrique Arc électrique

8 Présentation de connaissance et comportement des matériaux: les nanotubes de carbone Synthèse à haute température Ablation laser Ablation laser Réacteur solaire Réacteur solaire

9 Présentation de connaissance et comportement des matériaux: les nanotubes de carbone Synthèse à moyenne température (500° à 1100°C) Adaptation de la synthèse des fibres de carbones. Adaptation de la synthèse des fibres de carbones. Décomposer un gaz de carbone à la surface dun catalyseur métallique. Décomposer un gaz de carbone à la surface dun catalyseur métallique. Précipitation du carbone à la surface. Précipitation du carbone à la surface. La condensation donne des structures tubulaires. La condensation donne des structures tubulaires.

10 Présentation de connaissance et comportement des matériaux: les nanotubes de carbone Auto-assemblage : NTC multifeuillets Nanotubes multifeuillets Nanotubes multifeuillets Tubes semboîtent les uns dans les autres Tubes semboîtent les uns dans les autres Nombre de feuillets et diamètres sont variables Nombre de feuillets et diamètres sont variables

11 Présentation de connaissance et comportement des matériaux: les nanotubes de carbone Auto-assemblage: empilements périodiques Empilements périodiques Empilements périodiques Les tubes sempilent, formant un système périodique de symétrie triangulaire. Les tubes sempilent, formant un système périodique de symétrie triangulaire. Plusieurs dizaines par faisceau. Plusieurs dizaines par faisceau. Diamètres fonction de la synthèse du NTC Diamètres fonction de la synthèse du NTC

12 Présentation de connaissance et comportement des matériaux: les nanotubes de carbonePropriétés Difficile de manipuler des nanotubes seuls et de réaliser des mesures de leurs propriétés Difficile de manipuler des nanotubes seuls et de réaliser des mesures de leurs propriétés Etudes basées sur des modèles théoriques Etudes basées sur des modèles théoriques Possible de mesurer quelques propriétés dun seul nanotube Possible de mesurer quelques propriétés dun seul nanotube

13 Présentation de connaissance et comportement des matériaux: les nanotubes de carbone Propriétés dun seul nanotube Nanotubes séparés pour éviter une influence mutuelle Nanotubes séparés pour éviter une influence mutuelle Mesure de différentes propriétés grâce à un AFM (Atomic Force Microscope) ou un MET (un microscope électronique à transmission) Mesure de différentes propriétés grâce à un AFM (Atomic Force Microscope) ou un MET (un microscope électronique à transmission) Identification du nanotube seul (structure) par la spectroscopie Raman Identification du nanotube seul (structure) par la spectroscopie Raman

14 Présentation de connaissance et comportement des matériaux Propriétés mécaniques Propriétés exceptionnelles Propriétés exceptionnelles Des centaines de fois plus résistants que l'acier pour un poids 6 fois moindre (à section équivalente) Des centaines de fois plus résistants que l'acier pour un poids 6 fois moindre (à section équivalente) Certains nanotubes sont plus durs que le diamant Certains nanotubes sont plus durs que le diamant

15 Présentation de connaissance et comportement des matériaux: les nanotubes de carbone Propriétés mécaniques Très grand module dYoung dans leur direction axiale Très grand module dYoung dans leur direction axiale Environ 1 TPa pour nanotube individuel de carbone Environ 1 TPa pour nanotube individuel de carbone La limite de rupture : aux alentours des 150 GPa La limite de rupture : aux alentours des 150 GPa Très flexibles en raison de leur grande longueur(courbure réversible jusqu'à un angle critique qui atteint 110° pour un tube monofeuillet) Très flexibles en raison de leur grande longueur(courbure réversible jusqu'à un angle critique qui atteint 110° pour un tube monofeuillet)

16 Présentation de connaissance et comportement des matériaux: les nanotubes de carbone Propriétés mécaniques Le module dépend de la taille et des indices (n,m) du nanotube Le module dépend de la taille et des indices (n,m) du nanotube De 1.22 TPA pour les tubes (10,0) et (6,6) à 1.26 TPa pour les nanotubes mono- feuillets larges (20,0). De 1.22 TPA pour les tubes (10,0) et (6,6) à 1.26 TPa pour les nanotubes mono- feuillets larges (20,0) pour un tube générique 1.09 pour un tube générique

17 Présentation de connaissance et comportement des matériaux: les nanotubes de carbone Propriétés mécaniques Métaux purs: Aluminium: Mpa, Titane: Mpa Métaux purs: Aluminium: Mpa, Titane: Mpa Alliages: acier de construction: MPa Cuivre laminé U4 (Recuit): MPa, fontes: 83 à Alliages: acier de construction: MPa Cuivre laminé U4 (Recuit): MPa, fontes: 83 à Béton: MPa, Diamant (C) MPa, verre: MPa, Chêne: MPa Béton: MPa, Diamant (C) MPa, verre: MPa, Chêne: MPa Caoutchoucs: 700 à MPa, Kevlar Caoutchoucs: 700 à MPa, Kevlar Nanotubes (Carbone): Mpa Nanotubes (Carbone): Mpa

18 Présentation de connaissance et comportement des matériaux: les nanotubes de carbone Propriétés mécaniques Cylindre creux dont le diamètre extérieur serait de 10 cm et la paroi de 4 cm d'épaisseur, reliant deux murs distants de 2 mètres: si le cylindre était aussi rigide qu'un nanotube 10 millions de fois plus petit que lui, sous un poids de 1000 tonnes il ne fléchirait en son centre que d'un centimètre Cylindre creux dont le diamètre extérieur serait de 10 cm et la paroi de 4 cm d'épaisseur, reliant deux murs distants de 2 mètres: si le cylindre était aussi rigide qu'un nanotube 10 millions de fois plus petit que lui, sous un poids de 1000 tonnes il ne fléchirait en son centre que d'un centimètre 2 m 0.1 m

19 Présentation de connaissance et comportement des matériaux: les nanotubes de carbone Propriétés mécaniques Reste à trouver maintenant les moyens de conserver ces propriétés mécaniques de rigidité et de résistance à la rupture à l'échelle macroscopique Reste à trouver maintenant les moyens de conserver ces propriétés mécaniques de rigidité et de résistance à la rupture à l'échelle macroscopique Propriétés finales dépendantes de la longueur des nanotubes assemblés, de la perfection de leur alignement et de la manière dont on arrivera à les lier Propriétés finales dépendantes de la longueur des nanotubes assemblés, de la perfection de leur alignement et de la manière dont on arrivera à les lier

20 Présentation de connaissance et comportement des matériaux: les nanotubes de carbone Propriétés optiques Fluorescence dans le proche infrarouge, domaine spectral dans lequel les tissus humains et les fluides biologiques sont transparents et ne fluorescent généralement pas Fluorescence dans le proche infrarouge, domaine spectral dans lequel les tissus humains et les fluides biologiques sont transparents et ne fluorescent généralement pas Détection des nanotubes dans les tissus biologiques(marqueurs en imagerie médicale) Détection des nanotubes dans les tissus biologiques(marqueurs en imagerie médicale) Etude actuelle sur la nocivité pour les cellules vivantes Etude actuelle sur la nocivité pour les cellules vivantes

21 Présentation de connaissance et comportement des matériaux: les nanotubes de carbone Propriétés électriques Résistivité de fils de nanotubes : environ Ω.cm à 300 K (record) (Ag: Ω.cm, Cu: Ω.cm) Résistivité de fils de nanotubes : environ Ω.cm à 300 K (record) (Ag: Ω.cm, Cu: Ω.cm) Très hautes densités de courants jusque 1013 A/cm2 Très hautes densités de courants jusque 1013 A/cm2 Supraconducteurs à basse température Supraconducteurs à basse température Emetteurs de champs (d'ondes) à l'échelle du nanomètre Emetteurs de champs (d'ondes) à l'échelle du nanomètre Usure assez rapide: émission de façon relativement stable pendant 100 heures Usure assez rapide: émission de façon relativement stable pendant 100 heures

22 Présentation de connaissance et comportement des matériaux: les nanotubes de carbone Propriétés électroniques nanotubes métalliques ou semi-conducteurs nanotubes métalliques ou semi-conducteurs Les indices m,n déterminent le comportement métallique ou semi-conducteur Les indices m,n déterminent le comportement métallique ou semi-conducteur Les tubes zigzag (n,0) sont métalliques si n/3 est un entier, et semi-conducteurs dans le cas contraire Les tubes zigzag (n,0) sont métalliques si n/3 est un entier, et semi-conducteurs dans le cas contraire Les tubes (n,m) sont métalliques seulement si (2n+m)/3 est entier Les tubes (n,m) sont métalliques seulement si (2n+m)/3 est entier

23 Présentation de connaissance et comportement des matériaux: les nanotubes de carbone Propriétés chimiques Meilleure réactivité chimique que celle des feuilles de graphites Meilleure réactivité chimique que celle des feuilles de graphites Contrôle la solubilité des nanotubes en modifiant sa taille et ses extrémités Contrôle la solubilité des nanotubes en modifiant sa taille et ses extrémités Modifications possibles si le nanotube assez pur (filtration et traitements acides) Modifications possibles si le nanotube assez pur (filtration et traitements acides) Structures creuses remplies avec d'autres composés chimiques: nanofils Structures creuses remplies avec d'autres composés chimiques: nanofils Insolubles en solution aqueuse Insolubles en solution aqueuse

24 Présentation de connaissance et comportement des matériaux: les nanotubes de carbone Propriétés thermiques La conductivité thermique des nanotubes de carbone dépend de la température La conductivité thermique des nanotubes de carbone dépend de la température Valeurs comparables au diamant ou à une couche de graphite Valeurs comparables au diamant ou à une couche de graphite

25 Présentation de connaissance et comportement des matériaux: les nanotubes de carbone Propriétés thermiques La conductivité thermique dun fil de nanotubes de carbone varie entre 3000 et W/m-K La conductivité thermique dun fil de nanotubes de carbone varie entre 3000 et W/m-K

26 Présentation de connaissance et comportement des matériauxApplications Stockage dénergie Stockage dénergie Électronique moléculaire Électronique moléculaire Sonde nanométrique et capteurs. Sonde nanométrique et capteurs. Matériaux composites Matériaux composites Vision davenir Vision davenir

27 Présentation de connaissance et comportement des matériaux: les nanotubes de carbone Stockage dénergie Avantage du nanotube pour le stockage : Petites dimensions Petites dimensions Surface lisse Surface lisse Caractéristiques parfaites de la surface Caractéristiques parfaites de la surface Transfert délectrons le plus rapide Transfert délectrons le plus rapide

28 Présentation de connaissance et comportement des matériaux: les nanotubes de carbone Types de stockage Hydrogène (par effet capillaire) Hydrogène (par effet capillaire) Lithium (pour batteries de grande capacité) Lithium (pour batteries de grande capacité) Capacités Electrochimiques (condensateurs) Capacités Electrochimiques (condensateurs)

29 Présentation de connaissance et comportement des matériaux: les nanotubes de carbone Électronique moléculaire Le nanotube peut se comporter comme un transistor Le nanotube peut se comporter comme un transistor Sa conductivité varie de conducteur à semi-conducteur Sa conductivité varie de conducteur à semi-conducteur Utilisation dans une puce électronique Utilisation dans une puce électronique

30 Présentation de connaissance et comportement des matériaux: les nanotubes de carbone Sonde nanométrique et capteurs. Palpeur pour Microscope à force atomique Résolution améliorée Pas de risque de rupture de la pointe

31 Présentation de connaissance et comportement des matériaux: les nanotubes de carbone Sonde nanométrique et capteurs Réseau de NTC pour analyser les déformations dune structure en temps réel. Réseau de NTC pour analyser les déformations dune structure en temps réel. Feuilles de NTC utilisée comme actuateurs. « Muscles artificiels » Feuilles de NTC utilisée comme actuateurs. « Muscles artificiels » Capteur chimique, en présence de certain composé la conductivité est modifiée. Capteur chimique, en présence de certain composé la conductivité est modifiée.

32 Présentation de connaissance et comportement des matériaux: les nanotubes de carbone Matériaux composites Utilisations des NTC comme renforcement dans des composites de haute résistance, faible poids et haute performance. Utilisations des NTC comme renforcement dans des composites de haute résistance, faible poids et haute performance. NTC utilisés comme fibre dans une matrice de polymère. NTC utilisés comme fibre dans une matrice de polymère. Problème dû au diamètre du NTC de lordre de grandeur des molécules du polymère. Problème dû au diamètre du NTC de lordre de grandeur des molécules du polymère. Agrégation parasite des NTC Agrégation parasite des NTC

33 Présentation de connaissance et comportement des matériaux: les nanotubes de carbone Lascenseur spatial


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