Soutenance mémoire
GENERALITES SUR LES NANOTUBES DE CARBONE
Les formes allotropiques du carbone
Le carbone appartient à la famille des éléments cristallogènes. A l’état naturel, le carbone se présente généralement sous forme de graphite. Le graphite est constitué d’empilements de plans. Dans chacun de ces plans, chaque atome de carbone forme trois liaisons avec ses semblables, formant ainsi une structure hexagonale plane . Si les liaisons entre les carbones dans un plan sont extrêmement solides, on peut par contre facilement séparer les plans les uns des autres. C’est pourquoi le graphite est une matière grasse et friable ; c’est le cas d’une mine de crayon par exemple. Or, dans des conditions de température et de pression élevées, par exemple à une grande profondeur, les atomes de carbone s’organisent sous une forme allotropique de haute pression ; c’est le diamant ; Chaque atome de carbone est lié à quatre homologues, formant ainsi une structure aussi solide dans les trois dimensions de l’espace.
Les nanotubes de carbones
Depuis une dizaine d’année, on a démontré l’existence de structures autres que ces formes naturelles : ce sont les nanophases carbonées. Elles représentent donc une troisième forme allotropique sous laquelle se présente le carbone. Parmi ces objets, on distingue notamment les fullerènes et les nanotubes de carbone (NTCs). Les fullerènes sont constituées de molécules de 60 atomes de carbone, formant ainsi une structure sphérique et creuse similaire à un ballon de football . Une molécule de fullerène comporte douze pentagones et vingt hexagones et son diamètre est de 0,714 nm. Quant aux nanotubes de carbone, ce sont des molécules de carbone en forme allongée. On peut reconstituer cette structure en pliant une feuille de graphène qui se replie sur elle-même de façon à obtenir un tube cylindrique formé uniquement d’atomes de carbone. Le diamètre d’un tel tube est de 1,3 à 1 ,5 nm, d’où son appellation .
Selon les conditions de synthèse, les nanotubes peuvent aussi être monoparois ou multiparois, c’est-à-dire constitués de deux ou plusieurs cylindres coaxiaux.
Propriétés des nanotubes de carbone
Le diamètre d’un nanotube est de l’ordre du nanomètre alors que la longueur est de quelques microns. C’est donc une structure mille fois plus long que large.
Propriétés mécaniques
La liaison entre les atomes de carbone dans une feuille de graphène est très stable. Etant donné qu’un nanotube de carbone se présente sous la forme d’une feuille de graphène repliée sur ellemême, il a aussi hérité de cette grande stabilité. En effet les nanotubes de carbone sont très résistants (mécaniquement) suivant leurs axes et peuvent se courber facilement sans rompre.
Cette forte rigidité et cette grande résistance à la rupture provient de la solidité de la liaison C-C (sp2) et l’absence de défauts étendus. On montre qu’ils ont un module d’Young de l’ordre du TPa [12], ce qui leur confère une très grande élasticité.
Propriétés thermiques
Les nanotubes de carbone étant mille fois plus longs que larges, ils sont donc pratiquement unidimensionnels et la plupart de la diffusion thermique doit être axiale. Un nanotube de carbone, surtout un nanotube monoparoi, est un excellent conducteur de la chaleur. Sa conductivité thermique est comparable à celle du diamant.
Propriétés électriques
A part le rayon et le diamètre, la structure spatiale d’un nanotube de carbone est aussi régie par son angle de chiralité ou hélicité θ qui représente l’orientation du feuillet de graphène par rapport à l’axe du nanotube lui-même. C’ est le plus angle que fait l’axe du nanotube avec les liaisons carbone-carbone. On a ainsi trois configurations possibles :
– Si θ = 0°, on a une configuration en zigzag
– Si θ = 30°, on a une configuration en chaise ou en créneau (armchair) Ces deux configurations présentent la symétrie de miroir par rapport à un plan tangent à l’axe du nanotube.
– Si la valeur de θ est comprise entre 0° et 30°, le nanotube est dit « chiral ».
La conductivité électrique d’un nanotube de carbone est fonction de l’hélicité. Ainsi, un nanotube peut être semi-conducteur ou métallique. Dans le cas d’une configuration en chaise, les électrons peuvent facilement se mouvoir et le nanotube se comporte comme un excellent conducteur de l’électricité [11].
En effet, les propriétés électriques d’un matériau sont essentiellement déterminées par la répartition de ses électrons dans les bandes d’énergies quantiques. Certains niveaux, qui correspondent simplement à des états incompatibles avec la symétrie structurelle du matériau, sont interdits et créent des vides entre les bandes d’énergie accessibles aux électrons. Une modification au niveau de la structure entraîne une modification sur les bandes d’énergie permises et donc sur la conductivité du matériau. En ce qui concerne les nanotubes multiparois, il est démontré qu’un nanotube placé `a l’intérieur d’un autre effectue une rotation sur lui-même afin de trouver l’interaction inter-couche la plus énergétiquement favorable. Ils ont également prouvé que des tubes métalliques coaxiaux peuvent devenir semi-conducteurs en raison des interactions inter-couches. Ils ont ainsi démontré que dans un nanotube multifeuillet, les propriétés électroniques de chaque nanotube interne varient en fonction de leurs positions relatives[1]. Au vue de tels résultats, on peut imaginer des systèmes métal-isolant coaxiaux `a l’´echelle nanoscopique .
Applications des nanotubes de carbone
Matériau très résistant
Grâce à leur résistance mécanique élevée, les nanotubes de carbone peuvent être tissés ou tressés, ou tout simplement incorporés dans d’autres matériaux, comme les matrices en polymère, pour obtenir un matériau composite très résistant voire indéchirable. Notons que les nanotubes de carbone sont six fois moins lourds et cent fois plus résistants que l’acier, ce qui lui confère une multitude d’utilisation. Ils sont utilisés pour fabriquer des raquettes de tennis ou des gilets pare-balles ultralégers. Certaines personnes ont même émis l’idée de construire un ascenseur spatial en tendant un câble de nanotubes entre la Terre et un satellite géostationnaire. Une telle entreprise est peu réaliste, étant donné son coût et ses difficultés techniques, mais la société National Aeronautics and Space Administration (NASA) s’y intéresse néanmoins, et développe un projet (encore très théorique) sur le sujet .
Instrumentation
Les nanotubes de carbone ayant un diamètre nanométrique, ils sont utilisés pour faire office de pointe des microscopes. En 2000, Seiko Instrument Inc. avait déjà commercialisé un microscope à force atomique (AFM) avec une pointe sonde en nanotube de carbone pour balayer la surface de l’échantillon à analyser [1]. Comparée à une pointe conventionnelle à base de silicium, celle fabriquée avec des nanotubes de carbone résiste mieux à l’usure et offre une plus grande précision. Il existe aussi des balances à nanotubes. Leur principe de fonctionnement est basé sur la résonance d’un nanotube lorsque celui-ci est soumis à une tension alternative. La fréquence de résonance dépend de plusieurs paramètres dont la longueur du nanotube. Si un objet est suspendu à son extrémité, la modification de sa fréquence de résonance permet alors de remonter à la masse de l’objet en question.
Biologie et médecine
En médecine, pour des interventions au niveau du cerveau, les médecins utilisent des sondes, dont les dimensions sont de l’ordre du micron, pour parvenir à des zones bien précises du cerveau. Mais ces sondes sont encore trop grandes pour accéder à des zones difficiles d’accès. Un nanotube de carbone rempli de matériau dur comme le fer donnerait une sonde nanométrique pour contourner cette difficulté. L’utilisation d’une nanosonde ouvre aussi un large éventail d’application en biologie. Citons par exemple les nanopailles qui peuvent pénétrer dans une cellule biologique pour en sonder les caractéristiques chimiques, les pipettes ultrafines pour injecter des molécules à l’intérieur de cellules vivantes. Signalons qu’un nanotube de carbone est du même ordre de taille qu’un ADN .
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Table des matières
INTRODUCTION
Chapitre 1- Généralités sur les nanotubes de carbone
1.1- Les formes allotropiques du carbone
1.2- Les nanotubes de carbone
1.3- Propriétés des nanotubes de carbone
1.4- Applications des nanotubes de carbone
1.5- Dopage des nanotubes de carbone
Chapitre 2- Technique de synthèse – Dispositifs expérimentaux
2.1- Les électrodes et l’arc électrique
2.2- Le réacteur
2.3- Le monochromateur et la caméra CCD
2.4- L’étalonnage
2.5- Les produits obtenus
Chapitre 3 – Méthodes de diagnostic du plasma
3.1- Principe général de la spectroscopie
3.2- Coefficient d’émission
3.3- Méthode de l’intensité absolue d’une raie
3.4- Méthode du diagramme de Boltzmann
3.5- Méthode de l’intensité relative de deux raies
3.5- La bande de Swan
Chapitre 4- Résultats
4.1.1- Utilisation d’un mélange composé de 50% d’azote et 50% d’hélium à 600mB
4.2 – Influence de la proportion d’azote à une pression de 600mb
4.2.1- Morphologie des produits
4.2.2- Profil des températures
4.3 – Influence de la proportion d’azote à une pression de 100mb
4.3.1- Profil des températures
4.3.2- Morphologie des produits
CONCLUSION
ANNEXES
