Le matériau le plus solide au monde : les nanotubes de carbone



Connaissez-vous ce matériau, découvert il y a 24 ans, pouvant supporter le poids de la Terre tout en étant 100 000 fois plus fin qu'un cheveu ? Non ? Alors bienvenue dans la minute scientifique consacrée aux nanotubes de carbone.

Les nano-tubes de carbone

Dans une précédente vidéo, on avait parlé du graphène, une sorte de feuille de carbone avec un motif hexagonal. Je vous invite à aller la voir.

Prenons une feuille de graphène, enroulons-là de sorte à faire un tube et bouchons les extrémités avec une demi-sphère en carbone :

Voilà, vous avez le matériau le plus solide du monde, plus léger et résistant que l'acier, qui peut supporter un courant 1000 fois plus important que le cuivre et qui possède une flexibilité à faire pâlir la fibre de carbone et la fibre optique.

Mais comment en est-on arrivé là ?

La découverte

En 1985, on découvre que le carbone existe sous une forme différente du graphite et du diamant : le fullerène. C'est l'oeuvre d'Harold Kroto, Robert Curl et Richard Smalley, et cela leur a valu le prix Nobel de chimie en 1996.

En 1990, on produit le fullerène en masse, avec des arcs électriques, dans une atmosphère d'hélium. En 1991, poussée par on ne sait quelle motivation, l'équipe d'Iijima modifia les conditions de fabrication et trouva une 4e forme du carbone : le fameux nanotube.

Au début, ils observaient des nanotubes multi-feuillets (des nanotubes imbriqués les uns dans les autres) ou bien des feuillets en parchemin (enroulés mais pas tout à fait enfermés). L'observation du nanotube mono-feuillet n'a été faite qu'en 1993.

Les propriétés du nanotube dépendent de la façon dont il est enrôlé, comme avec une feuille qu'on incline. On définit alors un angle d'enroulement. Et pour faciliter les choses, on associe un nom : chaise, chiral et zig zag.

Cet enroulement a une conséquence fondamentale sur le comportement du nanotube. Une configuration chaise est conductrice contrairement aux 2 autres qui sont des semi-conducteurs.

Comme expliqué dans la vidéo précédente, le graphène possède des propriétés thermiques et mécaniques très intéressantes. Lorsqu'on roule un tel objet dans des dimensions nanométriques, on a un résultat remarquable :

• flexible jusqu à 110 degrés,
• 100 à 200 fois plus résistant que l'acier tout en étant 6 fois plus léger,
• une conductivité thermique exceptionnelle.

Bref, ça semble être un matériau qui vient du paradis des ingénieurs en génie mécanique. Un fil en nanotube de 12 kilomètres de long peut, en théorie, supporter le poids de la terre !

Les problèmes avec le nanotube de carbone

Malheureusement, 2 nuages obscurcissent le ciel prometteur du nanotube de carbone : le prix et la toxicité.

Le prix

Les capacités de production augmentent (prix divisé par 10 en 10 ans), mais pour l'instant, il s'agit de manipuler des objets qui sont de l'ordre du nanomètre de diamètre. De plus, les différents articles font part de l'impossibilité de séparer les différents types de nanotube.

La toxicité

Les dimensions nanométriques des tubes les rendent très volatiles et ils peuvent pénétrer dans les organes comme les poumons. On ne connaît pas encore très bien les risques, mais des mesures de sécurité sont évidemment prises pour protéger les personnes travaillant à leur contact.

Une étude de l'IUT d'Orsay a mis en avant la présence de nanotubes dans 100% des poumons d'un panel d'enfants asthmatiques, les nanotubes provenant des gaz d'échappement. Attention : aucun lien direct n'a été fait entre les nanotubes et cette maladie.

Bilan

Si ce matériau ne se révèle pas être le nouvel amiante, il a un bel avenir devant lui.

• Il peut améliorer les capacités mécaniques de matériaux (comme les plastiques).
• Il peut rendre les semi-conducteurs plus performants. IBM investit des milliards dessus et prévoit de proposer un tel dispositif d'ici 5 ans.
• Il peut solidifier les tissus. Quelques grammes suffisent pour arrêter une balle !
• Il peut se comporter comme un petit paratonnerre nanométrique, permettant d'envoyer des électrons de manière très localisée. Les frabicants de télévision y voient un très fort potentiel.

Comme vous l'avez vu, le nanotube de carbone a l'air franchement intéressant sur le papier, il y a un marché et la production est déjà un peu lancée.

Toutefois, il reste un matériau cher à produire et dont les effets potentiels sur le corps humain sont inconnus. Il est donc préférable de garder une certaine réserve.



Voilà, vous savez tout ou presque sur les nanotubes de carbone !



Texte écrit par Lucas Willems