Comment les nanotubes de carbone redéfinissent la résistance des matériaux

Qu'est-ce qui est 100 fois plus résistant que l'acier, mais plus léger que l'aluminium ? Les nanotubes de carbone comptent parmi les matériaux les plus résistants jamais découverts, mais les ingénieurs commencent tout juste à libérer tout leur potentiel.

Les nanotubes de carbone sont un allotrope du carbone , ce qui signifie qu'ils sont l'un des nombreux arrangements possibles d'atomes que le carbone peut prendre . Dans la nature, le carbone pur se trouve soit sous forme de graphite , un solide floconneux mou, ou un diamant , qui est transparent et le matériau naturel le plus dur.

Les nanotubes de carbone sont plus proches du graphite que du diamant. Bien que le graphite soit très mou, il est constitué de couches d'atomes de carbone disposées en feuilles d'un atome d'épaisseur. Ces feuilles individuelles sont appelées graphène, et les nanotubes de carbone sont ce que vous obtiendriez en roulant une feuille de graphène en forme de tube .

Le graphène est un matériau remarquable à part entière. Comme les nanotubes de carbone, il est incroyablement solide . Le prix Nobel de physique 2010 a été décerné à l'équipe qui a isolé pour la première fois une feuille de graphène, et le graphène est si fort qu'en théorie, une feuille de graphène pesant environ un milligramme pourrait contenir un chat .

Cet hypothétique "hamac pour chat" n'aurait qu'un seul atome d'épaisseur et serait complètement invisible à l'œil humain . Les nanotubes de carbone sont formés d'une ou plusieurs couches de graphène arrangées dans un tube et sont également extrêmement solides .

Selon le document de l'Académie Nobel, si un hamac d'un mètre carré en graphène était « attaché entre deux arbres, vous pourriez placer un poids d'environ 4 kilogrammes avant qu'il ne se casse. Il devrait ainsi être possible de fabriquer un hamac presque invisible en graphène qui pourrait contenir un chat sans se casser.

À l'heure actuelle, les nanotubes de carbone sont principalement utilisés pour améliorer les propriétés des composites polymères . Les nanotubes de carbone peuvent offrir une gamme de propriétés bénéfiques :

• Très haute résistance
• Rapport résistance/poids élevé
• Haute conductivité électrique
• Haute conductivité thermique

Propriétés des nanotubes de carbone

Par rapport à d'autres matériaux de renforcement, les nanotubes de carbone sont considérablement plus résistants que les autres fibres utilisé dans les composites polymères renforcés de fibres. Des recherches récentes se sont également concentrées sur le développement de polymères à gradient fonctionnel, où les nanotubes de carbone sont distribués de manière stratégique au sein d'une structure polymère pour lui conférer des propriétés mécaniques personnalisées.

Matériau	Force (sources de données dans les liens)
Nanotubes de carbone multiparois	11 - 63 GPa
Fibre de carbone	3,5 - 5,5 GPa
Fibre de verre	3,5 - 4,6 GPa
Kevlar	3,0 GPa
Acier	0,23 - 0,73 GPa

Les nanotubes de carbone offrent également une bonne conductivité électrique et thermique , ce qui les rend utiles dans les applications d'emballage électronique ou comme additifs aux polymères et adhésifs pour les rendre conductrices. Traditionnellement, les métaux ont été le principal matériau utilisé comme conducteurs électriques et thermiques dans l'électronique, car les polymères et les céramiques offraient une faible conductivité électrique et thermique en comparaison.

Cependant, en ajoutant des nanotubes de carbone, plusieurs polymères peuvent être rendus conducteurs , qui ouvre de nouvelles possibilités pour une fabrication électronique moins coûteuse .

Matériau	Conduction électrique (sources de données dans les liens)	Conductivité thermique (sources de données dans les liens)
Nanotubes de carbone à paroi unique	10 2 - 10 6 S/cm	6000 W/mK
Nanotubes de carbone multiparois	10 3 - 10 5 S/cm	2 000 W/mK
Diamant	10 -2 - 10 -15 S/cm	900 - 2320 W/mK
Graphite	3.3 - 4000 S/cm	2,2-298 W/mK
Cuivre	4.3•10 9 - 5,9•10 9 S/cm	305 - 385 W/mK

Composites renforcés de nanotubes de carbone

Si le graphène et les nanotubes de carbone sont si incroyablement solides, alors pourquoi ne les utilisons-nous pas partout ? Une pièce d'une résistance comparable au graphène ou aux nanotubes de carbone serait pratiquement indestructible par rapport à tout autre matériau.

Afin de comprendre le défi de tirer parti de l'incroyable résistance des nanotubes de carbone et du graphène, nous pouvons examiner la raison pour laquelle le graphite est doux . Les feuilles individuelles de graphène sont extrêmement solides, mais le graphite est mou car les liaisons entre les feuilles de graphène sont faibles .

Les nanotubes de carbone individuels sont l'un des matériaux les plus solides jamais découverts, mais ils doivent être connectés ensemble pour que leur résistance soit utile .

Les nanotubes de carbone sont ce que vous obtiendriez en roulant une feuille de graphène en forme de tube.

C'est pourquoi les nanotubes de carbone sont souvent utilisés comme additif dans d'autres matériaux , généralement des polymères, pour améliorer leurs propriétés. Les nanotubes de carbone ajoutent de la force et le matériau «matrice» dans lequel ils sont dispersés maintient le tout ensemble. Mais cela nous laisse avec la question :Pourquoi ces minuscules nanotubes de carbone sont-ils tellement plus solides que les matériaux en vrac ? Ils sont forts parce qu'ils sont petits.

Nanomatériaux ultra-résistants

La clé de la résistance des nanotubes de carbone réside dans le fait qu'ils se rapprochent de la résistance théorique du carbone en raison de leur petite taille . La résistance théorique d'un matériau est la contrainte qui serait nécessaire pour briser un cristal parfait exempt de tout défaut.

Par exemple, la résistance théorique du fer pur est de 31,8 GPa, tandis que les aciers en vrac ont des résistances comprises entre 270 et 740 MPa, soit moins de 2,5 % de la résistance théorique. En effet, de minuscules défauts appelés dislocations rendent les aciers en vrac sensibles à la déformation plastique et à la rupture à des contraintes inférieures par rapport à un cristal hypothétique sans défaut .

Image MEB de nanotubes de carbone alignés. © Fraunhofer IKTS

Les matériaux en vrac ne s'approchent jamais de leurs forces théoriques car, même avec un traitement extrêmement minutieux, les matériaux à plus grande échelle se retrouvent inévitablement avec des défauts microstructuraux qui réduisent leur force. C'est aussi la raison pour laquelle, malheureusement, il est peu probable que les humains fabriquent jamais une grande feuille parfaite de graphène comme le hamac pour chat en graphène d'un atome d'épaisseur décrit lors de la cérémonie de remise du prix Nobel de 2010.

Une si grande feuille contiendrait certainement des défauts cela réduirait sa résistance et le chat déchirerait le hamac. Ainsi, le traitement de la plupart des matériaux en vrac est axé sur la limitation de l'effet de leurs défauts microstructuraux plutôt que sur l'élimination complète des défauts . Créer de grandes quantités de matériaux totalement exempts de défauts est pratiquement impossible avec la technologie actuelle.

Une image au microscope électronique de nanotubes de TiO2 développés par voie électrochimique. 10 000 fois plus petits que la largeur d'un cheveu humain, les tubes sont remplis de polymère organique dans une nouvelle technique de « croissance » des cellules solaires avec le potentiel d'être moins chères que les cellules solaires actuelles.

Synthétiser un matériau sans défaut est beaucoup plus faisable si le volume de matériau est très, très petit. En termes simples, une très petite quantité de matériau est statistiquement moins susceptible de contenir un défaut qu'une grande , et de petits volumes de matériau sont plus faciles à créer par des processus de croissance chimique qui introduisent peu de défauts.

Ainsi, il est possible de créer de grandes quantités de nanotubes sans défaut , mais pas possible de créer une grande pièce monolithique de matériau sans défaut. Les nanotubes de carbone sont ultra-résistants car ils sont ultra-petits ce qui leur permet d'être sans défaut.

Des nanotubes de carbone sont filés pour former un fil.

Il convient également de garder à l'esprit que la résistance des matériaux est mesurée en divisant la force nécessaire pour casser un spécimen par la section transversale de ce spécimen , résultant en des unités comme le mégapascal (MPa) qui équivaut à un newton par millimètre carré (N/mm2). Ainsi, les mesures de résistance compensent automatiquement la quantité de matière dans un échantillon, et par conséquent, nous pouvons comparer la résistance d'une tige d'acier de 1 cm de diamètre avec celle d'un nanotube de carbone de 1 µm de diamètre.

Le minuscule nanotube est beaucoup plus susceptible d'être totalement exempt de défauts , et donc extrêmement solide. Mais pour regrouper suffisamment de nanotubes pour créer une pièce de taille égale à la tige d'acier, nous devrions créer un composite renforcé de fibres .

Leur petite taille et l'absence de défauts qui en résulte font des nanotubes de carbone un nanomatériau ultra-résistant , avec des nanotubes de carbone multiparois individuels ayant des résistances rapportées de 11 à 63 GPa, ce qui est proche de la résistance théorique du carbone de 156,0 GPa. D'autres matériaux peuvent également être transformés en ultra-petits , des « barbes » sans défaut, y compris le fer, qui a une résistance rapportée de 13 GPa sous forme de nano-barbes, une valeur beaucoup plus proche de la résistance théorique du fer que les aciers en vrac.

De nombreux autres matériaux ont été synthétisés en nanotube , des nanofils ou des moustaches dans des conditions de laboratoire, mais les nanotubes de carbone sont l'un des rares nanomatériaux ultra-résistants disponibles en quantités commerciales auprès de fournisseurs comme Goodfellow.

Conclusion

Les nanotubes de carbone sont l'un des matériaux les plus solides jamais découverts car leur taille extrêmement petite leur permet d'être sans défaut et s'approcher d'atteindre la résistance théorique du carbone . C'est pourquoi les nanotubes de carbone sont le plus couramment utilisés pour améliorer les propriétés d'autres matériaux , par exemple lorsqu'ils sont ajoutés à des matrices polymères pour améliorer leur résistance, leur conductivité électrique et leur conductivité thermique.

La résistance des nanotubes de carbone est de plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle des autres fibres couramment utilisées dans les composites renforcés de fibres. Bonne conductivité électrique et thermique des nanotubes de carbone permet également de créer des polymères conducteurs pour des applications électroniques où les métaux sont traditionnellement utilisés.