Cours du Collège de France

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1 Cours du Collège de France
Oxydes lamellaires et nanotubes inorganiques Jacques Livage - Collège de France Cours du Collège de France enseignement

2 3 familles de solides lamellaires
graphite feuillets atomiques chalcogénure MX2 MoS2 feuillets moléculaires argiles [SiO4] [AlO6] feuillets multiples

3 Les argiles couche tétraédrique [SiO4] alumino-silicates hydratés
Porcelaine chinoises ≈ -700 b.c. couche tétraédrique [SiO4] alumino-silicates hydratés [Al(OH)6] gibbsite couche octaédrique [Mg(OH)6] brucite 2 couches : Kaolinite 3 couches : Montmorillonite [Al4Si4O10(OH)8] [Na0,6Al3,4Mg0,6Si8O20(OH)4] Td Oh cation Intercalaire Td Oh Td

4 Les nanotubes naturels

5 Halloysite Utah argile de la famille des kaolins Al2O3[Si(OH)4]2

6 Nanotubes d’Halloysite
l ≈ 1 µm - e ≈ 0,1 µm

7 Nanotubes Naturels Imogolite

8 Imogolite : Al2O3Si(OH)4 nanotube mono-parois Structure des murs = gibbsite Al(OH)3 1,5 nm 2,2 nm

9 couche extérieure de structure gibbsite Al(OH)3
couche intérieure Si(OH)4 [SiO4] < [AlO6] courbure

10 [AlO6] [SiO4] [SiO4] < [AlO6] courbure

11 augmentation du diamètre
Substitution Si - Ge augmentation du diamètre [SiO4] [GeO4]

12 Applications des nanotubes natureles
NaturalNano Imogolite : libération contrôlée d’agents biocides revêtements anti-statiques Halloysite : une peinture qui bloque les appels téléphoniques Nanotubes d ’Halloysite métallisés/Cu Composites ‘ imogolite - alcool polyvinylique ’ mélange synthèse in-situ AlCl3,6H2O + Si(OEt)4 nanocomposite PVA

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14 Nanotubes d’oxydes

15 Solides lamellaires et nanotubes inorganiques ?
Les feuillets ne peuvent s’enrouler que s’ils sont indépendants Dépôt à partir de la phase vapeur construction progressive du feuillet lors du dépôt Dépôt à partir de solution nécessité de séparer les feuillets par exfoliation

16 Propriétés d’intercalation des argiles
Gonflement des argiles dans l’eau Matériaux hybrides Le ‘ bleu Maya ’ Molécules d’indigo intercalées dans une argile

17 composites ‘argile-polymère’

18 exfoliation Séparation des feuillets par gonflement
reformation du solide primitif assemblage par couches alternées hybrides enroulement des feuillets nanotubes

19 Exfoliation des solide lamellaires
Enroulement des feuillets libres

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21 Chem. Mater. 12 (2000) 1556

22 Synthèse par voie solide K2CO3 + Nb2O5 K4Nb6O17
Structure lamellaire feuillets [Nb6O17]4- cations intercalaires K+

23 Échange des cations intercalaires de façon à écarter les feuillets
K4Nb6O K 4-xHxNb6O17 H+ Échange acide TBA+ alkyl-ammonium Intercalation de cations organiques volumineux Exfoliation Gonflement osmotique suspension colloïdale de feuillets [Nb6O17]4-

24 Précipitation nanotubes
1 µm Feuillets exfoliés Précipitation nanotubes KCl

25 enroulement feuillets exfoliés

26 feuillet enroulé ≈ nanotube
5 6 feuillet enroulé ≈ nanotube (040) (100) simulé expérimental (100)

27 Formation des nanotubes
Exfoliation en doubles feuillets H+ K+ TBA+ K+ et H+ entre les 2 feuillets TBA+ à l’extérieur TBA+ K+/H+

28 Clivage des double feuillets
H+ K+ TBA+

29 Les deux faces du feuillet [Nb6O17] ne sont pas équivalentes
la face supérieure est plus encombrée que l’autre courbure

30 Courbure liée à l’asymétrie des feuillets
k1 > k2

31 Enroulement du feuillet

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33 Entre 1D et 2D, il existe toute une gamme de nanostructures
nanofibres nanoribbons nanotubes nanowires nanobelts nanorods