Nanotubes de carbone : pionniers des matériaux ultra-résistants et ultra-légers

Qu'est-ce qui est 100 fois plus résistant que l'acier, mais plus léger que l'aluminium ? Les nanotubes de carbone font partie des matériaux les plus résistants jamais découverts, pourtant les ingénieurs ne font que commencer à libérer leur plein potentiel.

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

Les nanotubes de carbone sont plus étroitement liés au graphite qu'au 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 s'appellent le graphène, et les nanotubes de carbone sont ce qu'on obtiendrait en roulant une feuille de graphène en forme de tube.

Le graphène est un matériau remarquable en soi. Comme les nanotubes de carbone, il est incroyablement résistant. Le prix Nobel de physique 2010 a été décerné à l'équipe qui a d'abord isolé une feuille de graphène, et le graphène est si résistant qu'en théorie, une feuille de graphène pesant environ un milligramme pourrait supporter un chat.

Ce « hamac à chat » hypothétique ne ferait qu'un 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 en tube et sont également extrêmement résistants.

Actuellement, 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 :

• Résistance très élevée
• Rapport résistance/poids élevé
• Haute conductivité électrique
• Haute conductivité thermique

Propriétés des nanotubes de carbone

Comparés à d'autres matériaux de renforcement, les nanotubes de carbone sont considérablement plus résistants que d'autres fibres utilisées dans les composites polymères renforcés de fibres. Des recherches récentes se sont aussi concentrées sur le développement de polymères à gradient fonctionnel, où les nanotubes de carbone sont distribués stratégiquement dans une structure polymère pour lui conférer des propriétés mécaniques sur mesure.

Matériau	Résistance (sources dans les liens)
Nanotubes de carbone multi-parois	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 aussi 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 conducteurs. Traditionnellement, les métaux ont été le matériau principal utilisé comme conducteurs électriques et thermiques dans l'électronique car les polymères et les céramiques offraient une conductivité électrique et thermique médiocre en comparaison.

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

Matériau	Conductivité électrique (sources dans les liens)	Conductivité thermique (sources dans les liens)
Nanotubes de carbone mono-paroi	10² - 10⁶ S/cm	6000 W/mK
Nanotubes de carbone multi-parois	10³ - 10⁵ S/cm	2000 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	4,3×10⁹ - 5,9×10⁹ S/cm	305 - 385 W/mK

Composites renforcés de nanotubes de carbone

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

Pour comprendre le défi de tirer parti de l'incroyable résistance des nanotubes de carbone et du graphène, nous pouvons regarder la raison pour laquelle le graphite est mou. Les feuilles individuelles de graphène sont extrêmement résistantes, 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 résistants jamais découverts, mais ils doivent être connectés ensemble pour que leur résistance soit utile.

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 résistance et le matériau « matrice » dans lequel ils sont dispersés maintient tout ensemble. Mais cela nous laisse avec la question : Pourquoi ces minuscules nanotubes de carbone sont-ils si beaucoup plus résistants que les matériaux en vrac ? Ils sont résistants parce qu'ils sont petits.

Nanomatériaux ultra-résistants

La clé de la résistance des nanotubes de carbone réside dans le fait qu'ils approchent 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 dans la gamme 270-740 MPa, moins de 2,5 % de la résistance théorique. C'est parce que de minuscules défauts appelés dislocations rendent les aciers en vrac susceptibles à la déformation plastique et à la rupture à des contraintes inférieures par rapport à un cristal hypothétique sans défaut.

Les matériaux en vrac n'atteignent jamais leurs résistances théoriques car, même avec un traitement extrêmement soigneux, les matériaux à plus grande échelle finissent inévitablement par avoir des défauts microstructuraux qui réduisent leur résistance. C'est aussi la raison pour laquelle, malheureusement, les humains sont peu susceptibles de jamais fabriquer une grande feuille parfaite de graphène comme le hamac de graphène d'un atome d'épaisseur décrit lors de la cérémonie du prix Nobel 2010.

Une telle grande feuille contendrait certainement des défauts qui réduiraient sa résistance, et le chat déchirerait le hamac. Ainsi, le traitement de la plupart des matériaux en vrac se concentre sur la limitation de l'effet de leurs défauts microstructuraux plutôt que sur l'élimination complète des défauts. Créer de grandes quantités de matériau complètement exempt de défauts est pratiquement impossible avec la technologie actuelle.

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 de créer une grande pièce monolithique de matériau sans défaut. Les nanotubes de carbone sont ultra-résistants parce qu'ils sont ultra-petits, ce qui permet qu'ils soient sans défaut.

Il vaut aussi la peine de garder à l'esprit que la résistance des matériaux est mesurée en divisant la force nécessaire pour casser un échantillon par sa surface transversale, 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 matériau 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 complètement sans défaut, et donc extrêmement résistant. Mais pour regrouper assez 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, sont ce qui fait des nanotubes de carbone un nanomatériau ultra-résistant, avec des nanotubes de carbone multi-parois 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 aussi être rendus ultra-petits, des « whiskers » sans défaut, y compris le fer, qui a une résistance rapportée de 13 GPa sous forme de nano-whiskers, une valeur beaucoup plus proche de la résistance théorique du fer que les aciers en vrac.

De nombreux autres matériaux ont été synthétisés sous forme de nanotubes, de nanofils ou de whiskers en 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.

Conclusions

Les nanotubes de carbone sont l'un des matériaux les plus résistants jamais découverts parce que leur taille extrêmement petite permet qu'ils soient sans défaut et s'approchent de la résistance théorique du carbone. C'est pourquoi les nanotubes de carbone sont le plus souvent utilisés pour améliorer les propriétés d'autres matériaux, comme quand ils sont ajoutés à des matrices polymères pour améliorer leur résistance, conductivité électrique et conductivité thermique.

La résistance des nanotubes de carbone est d'ordres de grandeur supérieure aux autres fibres couramment utilisées dans les composites renforcés de fibres. La bonne conductivité électrique et thermique des nanotubes de carbone permet aussi de créer des polymères conducteurs pour des applications électroniques où les métaux sont traditionnellement utilisés.