NANO STRUCTURES À̀̀ BASE DU CARBONE REPUB-LIQUE ALGERIÉNNE DÉMOCRATIQUE ET POPULAIRE ministère de l'enseignement supérieur et de la recherche sciences de technologie UNIVERSITÉ MENTOURI –CONSTANTINE DÉPARTEMENT DE SCIENCES DE TECHNOLOGIE EXPOSE (sujet3) NANO STRUCTURES À̀̀ BASE DU CARBONE Sous la direction du Professeur : TELIA Par: Mlles Aouak soumia et Benhafed khawla Année universitaire : 2016/2017

SOMMAIRE : 1-Introduction 2- Passé ,présent et le futur des fullerènes Historique (passé) Présent et le future des fullerènes 3 -DÉFINITIONS,NANOTUBES DE CARBONE 4- ASPECTS ET APPLICATION DES FULLERÈNES Les fullerènes en électronique Les fullerènes pour des applications médicales 5- PRODUCTION DES FULLERÈNES ET LES NANOTUBES DE CARBONE La production des fullerènes La production des nanotubes de carbone 6-CONCLUSION

INTRODUCTION : Les nanostructures carbonées (nanotubes de carbone, graphène et boîtes quantiques de graphène) sont au coeur de développement récents en opto-électronique, conversion d’énergie, marquages biologique... Du point de vue académique, ces nanostructures permettent de tester les lois de la physique quantique à basse dimensionnalité en exploitant le confinement des électrons avec une géométrie contrôlée à l’échelle atomique. Les nanotubes de carbone sont des molécules dont la structure de base est très simple : un plan graphitique mono-atomique enroulé sur lui-même et formant un tube dont la longueur typique est 1 µm. Le diamètre du tube est lui de l’ordre du nanomètre. Ce nano-objet, quasi-unidimensionnel, possède de nombreuses propriétés originales tant mécaniques qu’électroniques. Cependant, l’émission de lumière par des nanotubes de carbone n’a été observée que relativement tardivement. En effet, il s’avère que les nanotubes n’émettent de la luminescence que s’ils sont suffisamment isolés de leur environnement. Ils doivent être, en particulier, isolés les uns des autres or ils s’agrègent naturellement en fagots. La préparation des échantillons de nanotubes isolés, adaptés à l’étude des propriétés de photoluminescence est donc un enjeu majeur. Deux grandes techniques sont employées, d’une part la croissance de nanotubes directement isolés, suspendus sur un substrat microstructuré et ; d’autre part, la mise en suspension aqueuse de nanotubes isolés dans une gaine de surfactant par un traitement physico-chimique.

Passé ,présent et le futur des fullerènes: Famille de composés du carbone possédant au minimum 60 atomes de carbone, formant des sphères carbonées où les atomes de carbone sont disposés en polyèdres semi-réguliers répartis sur la sphère. Découvert en 1985 par Smalley, Curl et Kroto (Prix Nobel de chimie 1996), la famille des fullerènes, très abondantes à la surface de la terre et dans l'univers, représente la troisième forme allotropiquedu carbone, après le graphite et le diamant. Elle a la propriété de former des cages fermées (molécule C60) dont la structure rappelle celle d'un ballon de football. La molécule C60 comprend 60 atomes de carbone disposés aux sommets d'un polyèdre régulier de 0.7 nm de diamètre et dont les facettes sont des hexagones et des pentagones.

Historique (passé): A la fin des années 70, Peter Wiles et John Abrahamson décrivirent des feuillets de carbone enroulés ensemble. Ces structures étaient produites en même temps que des fibres dans un arc électrique généré entre deux électrodes de graphite. Bien que l'icosaèdre tronqué soit connu depuis l'antiquité comme l'un des solides d'Archimède et décrit à la Renaissance par Piero de la Francesca, la conceptualisation d'une cage entièrement constituée d'atomes de carbone arrangés en hexagones et pentagones ne fut réalisée par David Jones qu'en 1966.

La première mention de la molécule de C60 en tant que molécule stable fut faite par E. Osawa et Yoshida qui, en 1970 et 1971, tentèrent une description théorique de cette nouvelle et hypothétique structure. C'est quelques années plus tard que les niveaux d'énergie HOMO et LUMO du C60 furent calculés la première fois par la méthode de Hückel par les physiciens russes Bochvar et Gal'pern en 1973. Il va falloir attendre 1985 pour qu'enfin le concept théorique de la molécule de C60 prenne forme dans la réalité physique et c'est Harry Kroto de l'Université de Sussex (Angleterre) en collaboration avec l'équipe du professeur Smalley et Bob Curl à Houston (U.S.A.) qui parvint à synthétiser et à caractériser la molécule de C60, baptisée plus tard Buckminster fullerène en hommage à l'architecte Buckminster Fuller. Celui-ci est surtout réputé pour la conception des dômes géodésiques et introduisit dans un brevet, en 1954, une structure formée par un icosaèdre tronqué décrivant une cage sphéroïdale constituée par l'arrangement de 12 pentagones et 20 hexagones. Le principe utilisé pour la première synthèse du C60 est la recondensation du graphite après vaporisation provoquée par un laser dans une atmosphère d'hélium. Cette découverte fondamentale pour le domaine des « nanosciences » fut couronnée par un prix Nobel en 1996.

Présent et le future des fullerènes : Jusqu'à présent, les chercheurs avaient seulement été capables de réaliser des transistors à partir de rubans de graphène avec divers inconvénients, notamment celui d'être encore de trop grande taille. Kian Ping Loh et ses collègues de l'Université de Singapour explorent une technique bien plus prometteuse qui leur a permis de réaliser des boîtes quantiques en graphène de tailles inférieures à 10 nanomètres à l'aide des molécules de fullerène C60 en tant que précurseurs.  Loh et ses collègues ont généré ces boîtes quantiques en décomposant du buckminsterfullerène à des températures élevées sur une surface métallique de ruthénium. Le métal agit comme un catalyseur et force les molécules de C60 à se décomposer en amas de carbone. Les chercheurs ont ensuite utilisé la microscopie à effet tunnel pour observer comment les amas de carbone diffusent sur la surface métallique et comment ils s'agrègent pour former des boîtes quantiques.  Ils ont compris qu'ils pouvaient contrôler la densité des amas de carbone et leur agrégation pour obtenir des structures hexagonales de tailles voulues. Surtout, les boîtes quantiques en graphène qu'ils ont obtenues se sont trouvées avoir un gap en énergie, caractéristique des semi-conducteurs, inversement proportionnel à la taille de ces boîtes. Ils avaient donc bien réussi à obtenir une nouvelle voie de synthèse pour la création de nanocomposants électroniques basés sur le graphène. Leur travaux sont exposés dans une publication récente de Nature Nanotechnology.

DÉFINITIONS,NANOTUBES DE CARBONE: Un nanotube de carbone peut être décrit comme un feuillet de graphite constitué uniquement d’atomes de carbone placés au sommet d’un réseau hexagonal. Le feuillet est roulé sur lui-même pour former un petit cylindre fermé à ses extrémités par deux demi sphères.

il existe deux types de nanotubes : les nanotubes monofeuillet et les nanotubes multifeuillet. Les nanotubes monofeuillet : est un simple feuillet de graphène enroulé sur lui même et fermé à ses extrémité par deux demi-sphères. Ces nanotubes mono-parois sont classés en trois catégories : zigzag, chiral ou chaise.

2.les nanotubes de carbone multifeuillet : sont composée de plusieurs feuillets de graphène enroulés les uns autour des autres ;

Il existe deux modèles possibles:  Le modèle Poupée Russe: qui est un emboîtement de feuillet de graphène. Le modèle Parchemin: qui un plusieurs enroulement d'une unique feuille de graphène . Les nanotubes de carbone ont donc une structure assez complexe et de nature différentes mais  possèdent différentes propriétés physique expliquant leur intérêt. La distance inter-parois des NTC multifeuillets ou monofeuillets est comprise entre 0,34 et 05 nanomètrenviron.

ASPECTS ET APPLICATION DES FULLERÈNES: Les fullerènes, surtout le C60, sont étudiés pour une vaste gamme d’applications. Toutefois, très peu de matériaux à base de C60 sont actuellement commercialisés. Les applications les plus prometteuses du C60 sont dans le domaine de l’électronique. Le C60 émerge également dans le domaine médical, bien que très peu soit connu sur leurs propriétés biologiques Les fullerènes en électronique: Les propriétés électrochimiques des fullerènes sont de loin les plus exploitées pour le domaine de l’électronique. Une des premières applications visées est l’utilisation du C60 en électronique moléculaire:

Ex.: Utilisation d’une molécule de C60 pour la fabrication de transistors monomoléculaires. Vu sa grande stabilité au processus d’oxydo-réduction, le C60 est certainement une molécule de choix pour cette application. Les fullerènes pourraient également servir de condensateur de surface pour la construction de mémoire “flash” :

Le C60 est également très utilisé comme accepteur d’électrons dans les systèmes de photosynthèse artificielle: Ce type de système est très utile pour l’étude fondamentale des processus de transfert d’énergie et de séparation de charges, mais aussi pour le développement de dispositifs collecteurs de lumière.

Le C60 est extrêmement efficace comme matériau de type n dans les piles solaires organiques: Les piles solaires sont sans doute l’une des premières applications industrielles d’ un dérivé du C60. D’autres dérivés du C60 seront sans doute commercialisés dans la prochaine décennie pour des applications en électronique. À plus long terme, le C60 pourrait avoir des propriétés en tribologie des systèmes nanoscopiques due à sa géométrie sphérique. C’est davantage vrai pour les bucky-onion. Le déplacement par roulement du C60 sur des surfaces métalliques a récemment été démontré:

Les fullerènes pour des applications médicales: Pour cette molécule, il a été démontré que les fullerènes ne glissent pas, mais roulent sur la surface d’ or. Les fullerènes pour des applications médicales: Beaucoup d’efforts ont été déployés dans les dernières années afin d’étudier l’utilisation du C60 en médecine et en pharmacologie, bien que les nanotubes prennent une plus grande place. Lorsque administré oralement, les fullerènes ne sont pas métabolisés et se concentrent dans le rein. Par contre, une administration par injection mène à une distribution inégale des fullerènes dans différents tissus. Comme pour les nanotubes de carbone, le problème majeur de l’utilisation des fullerènes en médecine est la faible solubilité de ceux-ci en milieu physiologique. Une meilleure solubilité peut être obtenue par l’encapsulation ou la fonctionnalisation des fullerènes par des groupements solubles dans l’ eau.

Ex.: cyclodextrine

Un des meilleurs exemples du potentiel des fullerènes pour des applications médicales et diagnostiques est l’utilisation d’un metallofullerène endohedral comme agent de contraste en imagerie par résonance magnétique. Un composé semblable, le 166Ho3@C82(OH)30 a été utilisé comme marqueur radioactif et comme agent de traitement contre le cancer. Le C60 a également démontré des propriétés antivirales pour le virus du VIH. Le mode d’action passe par l’inhibition de l’enzyme protéase du virus.

Le C60 peut aussi servir d’agent photochimique pour dégrader l’ADN Le fullerène est aussi l’une des meilleures éponges à radicaux libres. Il a été testé comme agent antioxydant neuroprotecteur et s’est avéré très efficace. Certains dérivés du C60 ont même été utilisés pour le traitement de l’ostéoporose et comme agent antimicrobien.

PRODUCTION DES FULLERÈNES ET LES NANOTUBES DE CARBONE: La production des fullerènes: Dès 1990, une nouvelle technique de production de fullerènes bien plus efficace fut inventée par Wolfgang Krätschmer (Max Planck Institute, Heidelberg) et Donald Huffman (University of Arizona, Tucson). Des quantités macroscopiques de fullerènes furent produites. Il s'agit toujours de faire évaporer du graphite, mais cette fois-ci pas à l'aide d'un laser mais en soumettant une tension à une éléctrode de graphite. Le milieu doit être neutre, typiquement une faible pression d'hélium sinon le carbone réagirait avec les composants de l'atmosphère. Ces dernières années des techniques toujours plus innovantes voient le jour afin de produire toujours plus de fullerènes au moindre coût. Cependant les contraintes techniques sont grandes et ces nano objets restent chers. Des entreprises comme SES research ou BuckyUSA vendent en lignes des nano particules de carbone, principalement à destination de laboratoires de recherche.

La production des nanotubes de carbone(Production de nanotubes de carbone blancs en grande quantité): des nanotubes de carbone blancs multicouches (NCBM) Les NCBM, aussi appelés "white nanotubes" ou "lipid nanotubes" en anglais, sont composés de molécules amphiphiliques, c'est-à-dire constituées d'un groupe polaire soluble dans l'eau attaché à une chaîne carbonée insoluble dans le même solvant. Une fois placées dans l'eau, ces molécules s'assemblent spontanément pour former des tubes carbonés grâce à des forces intermoléculaires, et non pas des liaisons covalentes comme dans le cas des nanotubes de carbone traditionnels.

Grâce au nouveau procédé, 1 kg de NCBM peut être produit dans 10 litres d'eau, là où il aurait fallu 20.000 litres de solvant auparavant. Ce rendement amélioré permet de supprimer des étapes de séchage et de récupération qui durent habituellement plusieurs jours. Il ne faut plus que quelques heures pour produire une grande quantité de matériau.

Les NCBM issus de ce procédé possèdent un diamètre intérieur de 10 à 200 nanomètres (nm), un diamètre extérieur de 40 à 500 nm et une longueur de quelques centaines de micromètres. Ceux-ci sont susceptibles d'être utilisés dans de nombreux domaines car ils peuvent transporter des molécules : stabilisation de substances dangereuses, délivrance de molécules thérapeutiques dans des endroits ciblés du corps, parfums qui libèrent leur odeur lentement, dissolution de molécules habituellement insolubles dans l'eau, etc. Les chercheurs ont démontré qu'il était possible de transporter des molécules de ferritine (substance se trouvant dans le sang) de 12 nm de diamètre dans des NCBM dont le diamètre intérieur était compris entre 30 et 60 nm.

CONCLUSION: La fulleréne est une composition du carbone,découvert en 1985 par Smalley ,Curlet Kroto . Les Fullerènes sont utilisés dans l'industrie aujourd'hui déjà, surtout dans les produits cosmétiques, où ils jouent un rôle important comme antioxydants. Il y a de nombreuses applications intéressantes de fulleréne Et a la fin en peu dir que la Les nanostructures carbonées sont au coeur de développement récents en opto-électronique, conversion d’énergie, marquages biologique...

Merci pour votre attention