enroulement d'un nanotube de carbone

Réponse du département Sciences et Techniques

Si la littérature scientifique abonde sur les propriétés physiques de ce "nouveau" matériau, ainsi que sur la manière d'améliorer la pureté du matériau produit, nous n'avons pas trouvé par quels procédés les chercheurs obtiennent l'enroulement des plaques de graphène en des nanotubes de diamètres différents aux propriétés également différentes



Quelques définitions générales
La structure d'un nanotube de carbone monofeuillet peut être représentée par un feuillet de graphène enroulé sur lui-même et fermé à ses deux extrémités par une demi-sphère. La façon dont le feuillet de graphène est replié sur lui-même définit un paramètre, appelé hélicité, qui fixe la structure du nanotube. L'hélicité permet de caractériser les différents types de nanotubes existants.

L'Enroulement
Le nanotube monofeuillet est donc constitué d'une feuille de graphène enroulée sur elle-même. Cette feuille de graphène présente une structure de type nid-d'abeille, dont on peut donner 2 vecteurs directeurs, a1 et a2. On définit ensuite le vecteur de chiralité, Ch, axe selon lequel le graphène s'enroule pour former le nanotube. Ce vecteur peut donc être décomposé en deux composantes, selon les vecteurs a1 et a2. Soient m et n, les scalaires tels que Ch = n a1 + m a2.


Structure de type nid d'abeille du graphène. Soient a1 et a2 2 vecteurs directeurs du système cristallin. On définit m et n, 2 entiers, tels que le vecteur de chiralité Ch, axe selon lequel s'enroule le nanotube, soit Ch = n a1 + m a2

Selon la valeur de ces 2 scalaires, 3 types d'enroulement, donc trois types de nanotubes peuvent être décrits :

- Si m=0, on dira que le nanotube a une structure de type « zig-zag »
- Si m=n, on dira que le nanotube a une structure de type « chaise »
- Dans tous les autres cas, on dira que le nanotube est « chiral ».

Ces différences d'hélicité donneront aux nanotubes de carbone des propriétés différentes. Notamment, en ce qui concerne les propriétés électriques. Un nanotube de carbone de chiralité (n,m) sera métallique si (2n + m) est un multiple de 3. Sinon, il sera semi-conducteur. Donc un nanotube de carbone chaise sera toujours métallique (car on a 2m+m) tandis qu'un nanotube zig-zag ou chiral sera soit métallique, soit semi-conducteur.
source : Wikipédia

Le Graphène
Nous tenons à rappeler que le graphène est un cristal bidimensionnel (monoplan) de carbone dont l'empilement constitue le graphite. Il fut isolé en 2004 par Andre Geim, du département de physique de l'université de Manchester, qui a reçu pour cette découverte le prix Nobel de physique en 2010 avec Konstantin Novoselov. Il peut être produit de deux manières : par extraction mécanique du graphite (graphène exfolié) dont la technique a été mise au point en 2004, ou par chauffage d'un cristal de carbure de silicium, qui permet la libération des atomes de silicium (graphène epitaxié).
source : Wikipédia
Il s'agit donc encore de procédés de laboratoires dont la faisabilité industrielle avérée ne permet d'en produire que de petites quantités.
Les récentes publications scientifiques sur ce matériau suggèrent de nombreuses applications possibles. Cependant, sa production reste encore problématique et très onéreuse : selon certaines sources, un mètre carré reviendrait à 600 milliards d'euros[1]. Mais le chiffre est contesté par le physicien Jean-Noël Fuchs, qui déclare :
« On lit parfois que la production d'un mètre carré de graphène reviendrait à 600 milliards d'euros. Il s'agit d'un calcul qui avait été fait il y a quelques années en tenant compte du fait qu'un très petit nombre de groupes étaient capables d'en produire, en très petite quantité, de l'ordre du millimètre carré. En réalité, le matériau de base n'est rien d'autre que du carbone, ce qui ne coûte pas très cher[2] ! ».
source : Wikipédia

Au moins deux organismes de recherche français travaillent sur la qualité du matériau produit, car le processus de croissance du matériau n'assure pas encore la production d'un matériau parfait. Des pentagones et autres structures géométriques d'appariement des atomes de carbone se glissent en effet dans la structure hexagonale du graphène.
Le C'Nano vous permet de visualiser en 3D les différentes configurations réalisables de nanotubes de graphène.
De même, le LEM (Laboratoire d'Etudes des Microstructures vous explique où en est la recherche sur la qualité de production du graphène.

Sinon, si vous pouvez vous rendre dans une bibliothèque qui offre la possibilité de vous connecter aux Techniques de l'Ingénieur, ceux-ci proposent un dossier spécial sur la graphène.