Les nanotubes de carbone Sébastien Allouche Céline Babault Michael Barateau Marion Beguerie Louise...
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Les nanotubes de carbone
Sébastien AlloucheCéline BabaultMichael BarateauMarion Beguerie
Louise BouchetMarina DuboisBenoît GarletCamille Favre
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Les nanotubes de carbone
Introduction
Introduction
A l’échelle du nanomètre, les lois physiques sont différentes.
Lorsque la taille des particules décroît jusqu’à 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 - fullerèneCelluleFourmisCactus Epaisseur d’un cheveu
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Les nanotubes de carboneIntroduction
• Domaines d’application
Nanomatériaux
• Controverse : Effet sur la santé ? Effet sur l’environnement ?
Médical Pansements
Tests de grossesse
AlimentaireEmballages
Denrées
CosmétiqueLotions solaires
Crèmes
EnergiePanneaux
photovoltaïquesStockage
Sport Raquettes
Vélos
I. Structure et propriétés
II. Synthèse et toxicité
III. Applications
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Les nanotubes de carbone
Sommaire
Le graphène :Feuillet de carbone formant des hexagones
Les nanotubes :
Nanotube monocouche (SNTC) : un seul feuillet de graphène, structure anisotropeDiamètre : environ 1nm / Longueur : environ 1μm
Nanotube multicouche (MNTC) : 2 à 40 feuillets de graphène, structure turbostratique : tubes concentriquesDiamètre : 2 à 25 nm / Longueur : 20 à 80 μmDistance interfeuillet : 0.3 à 0.4 nm
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Les nanotubes de carbone
I. Structure et propriétés
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 enroulédemi-fullerène
Zig Zag :θ = 0°Si m=0
6 I. Structure et propriétésLes 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
Cours de physique du solide, CEA, Cyrille Barreteau
Créneaux (armchair) :θ = 30° Si m=n
7 I. Structure et propriétésLes 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 nanotubessemi-conducteurs ou isolants
Métal : passage d’uncourant électrique pour une très petite tension
Grand gap : Isolant Pas de courant électrique
Petit gap : Semi-conducteurLe courant passe à partir d’une certaine tension
Gap = Différence entre le dernier niveau rempli (niveau de Fermi EF) et premier niveau vide
Pascale Launois, cours "les nanotubes de carbone"
Manuscrit Chapitre 1 : les nanotubes de carbone, Pierre R. Marcoux (2009)
I. Structure et propriétésLes nanotubes de carbone
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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 heptagonesF (SNTC) = 0.2 à 1.2 TPa courbure réversible jusqu'à un angle critique de 110°F (MNTC) = 3 à 30 TPa
Nanotubes SOUPLES et SOLIDES
Bernholc et al. (1998)
SNTC MNTC Acier
Module d'Young 1TPa 1.3 TPa 0.1 TPa
Contrainte à la rupture 45 GPa 150 GPa 2 GPa
Bernholc et al. (1998)
Propriétés thermiques
Conductivité supérieure à celle des meilleurs conducteurs thermiques connus (1000 - 2600 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 propriétésLes nanotubes de carbone
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SNTC MNTC
Conductivité thermique (W/mK)
6000 < 2000
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Les nanotubes de carbone
II. Synthèse et toxicité
II. Synthèse et toxicité
• Arc électrique• Ablation laser
Méthode physique
• Dépôt en phase vapeur• Température : 750 - 1000 °C• Rendement : jusqu’à 100%• Diamètre et longueur contrôlables• NTC de grande qualité
Méthode chimique
Thèse, Université de Toulouse III, Pacchini Sébastien, 2008
CVD :
• Température: 650-1000 °C
• Pression (1 à 10 atm)
• Composition des gaz
Deux étapes:
• Préparation du catalyseur
• Synthèse des nanotubes
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Les nanotubes de carboneII. Synthèse et toxicité
Voie de synthèse par dépôt en phase vapeur (CVD)
Source de carbone en phase gazeuse (CH3, CO, C2H4).Source d’énergieCatalyseur (Ni, Fe ou Co).
Thèse, Université de Toulouse III, Pacchini Sébastien, 2008
Synthèse SNTC :
• Température : 800-1200°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 Boudouard2 CO CO2 + C
Thèse, Université de Toulouse III, Pacchini Sébastien, 2008
13 II. Synthèse et toxicité Les nanotubes de carbone
voies d’exposition potentielles aux nanoparticules : • l’inhalation• l’ingestion• le contact cutané• la voie parentérale (en cas d’applications
biomédicales)
biopersistance des particules solides dans l’organisme due à :• la durabilité• la vitesse d’élimination 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 II. Synthèse et toxicité Les nanotubes de carbone
• l’état d’agglomération et / ou d’agrégation• 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• l’aire de surface, la surface spécifique• la chimie de surface • la densité surfacique de charge.
Facteurs :
• Potentiel mutagène• Effet cancérigène semblable à une exposition à l’amiante• Effet immunotoxique.
Études :
Toxicité des nanotubes de carbone
Etudes fondamentales complémentaires.
Granulome de NTC alvéole pulmonaire
Nanotubes de carbone, Anses, février 2011
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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
III. Applications
www.arkema.comwww.nanotechnologies.qc.ca
www-dsm.cea.fr
www.tomshardware.fr
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Les nanotubes de carbone
• Rigidité
1kg de fil d’araignée peut arrêter unprojectile 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 d’Young
III. Applications
www.futura-sciences.com www.futura-sciences.com
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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
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Les nanotubes de carbone
Un exemple : support de catalyse
• Décomposition de l'hydrazine
1. 3 N2H4 → 4 NH3 + N2
2. N2H4 → N2 + 2 H2
3. 4 NH3 + N2H4 → 3 N2 + 8 H2
Réactions exothermiquesCatalyseur : iridium métallique supporté par NTC
Utilisation dans les moteurs à faible poussée et grande précision
• Synthèse de Fischer Tropsch
H2+ CO -> Alcanes + H2O
Catalyseur : Fe ou Co supporté par NTC
III. Applications
www.nanotechnologies.qc.ca
www.futura-sciences.com
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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 l’hydrogène
III. Applications
www.nanotechnologies.qc.ca
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Les nanotubes de carbone
Conclusion• Nanotube de carbone: enjeu pour le futur
• Synthèses de plus en plus efficace en vue d’une industrialisation
• Utilisés dans le domaine du sport et dans les technologies de pointes
• Recherches sur la toxicité
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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