En 1991,le Japonais Sumio Ijima a synthétisé de longs cylindres carbonés : ce sont les nanotubes. En observant des suies produites par un arc électrique entre deux électrodes de carbone, il a observé des tubes aux dimensions surprenantes: plusieurs micromètres de longueur, pour seulement quelques nanomètres (10-9 mètre) de diamètre, soit environ le diamètre de la molécule d’ADN présente dans nos cellules.
Un nanotube a une structure semblable à celle du graphite. Le graphite est constitué d’empilements de plans (un plan est appelé graphène). Dans chacun de ces plans, chaque atome de carbone forme trois liaisons avec ses semblables, engendrant une structure hexagonale semblable à des nids d’abeilles.
Les liaisons d’atomes dans un même plan sont extrêmement solides, ce qui n’est pas le cas de celles entre deux plans. C’est pourquoi le graphite est si friable. Maintenant, si un plan de graphite est enroulé sur lui-même, on obtient un nanotube. Si le nanotube est constitué d’un seul graphène, on parle de nanotube monofeuillet, et s’il est constitué de plusieurs couches, on parle de nanotube multifeuillets. Selon la manière dont le graphène se replie, les propriétés électroniques obtenues sont différentes. L’angle d’enroulement (appelé hélicité) détermine ses propriétés électroniques.
Les nanotubes à base de carbone sont les plus connus, toutefois des nanotubes à base de nitrure de bore (BN) ont été développés. En alternant les atomes d’azote et ceux de bore la même structure en nids d’abeilles que le graphite est obtenue, elle peut aussi s’enrouler pour former des nanotubes.
Les nanotubes ont des propriétés intéressantes dans plusieurs domaines:
Mécaniquement, tout d’abord, les nanotubes sont extrêmement résistants, plus de deux cents fois plus que l’acier tout en étant six fois moins lourds, il est donc possible de les plier sans qu’ils se cassent et de les tisser pour former des matériaux aux propriétés mécaniques inégalées. Il est donc possible de les utiliser pour les raquettes de tennis, fabriquer des airbags, des ceintures de sécurité, des câbles et des cordages ultra-résistants... Capables d’absorber des chocs considérables les nanotubes sont parfaits pour les gilets pare-balles, les blindages et les pare-chocs. De plus mélanger des nanotubes à un autre matériau permet d’augmenter ses capacités (ajouter 3% de nanotubes à un caoutchouc synthétique multiplie par dix sa rigidité).
Mais ce sont aussi leurs propriétés électriques exceptionnelles qui intéressent les chercheurs. Suivant leur hélicité, les nanotubes sont conducteurs (nanotubes en crénau) ou semi-conducteurs (nanotubes en zig-zag - semi-conducteur signifie que le nanotube laisse passer le courant qu’à partir d’une certaine tension, ce seuil est plus important avec les nanotubes au nitrure de bore qu’avec ceux au carbone). N’opposant pratiquement pas de résistance, ils sont idéaux pour connecter les couches d’un microprocesseur. Il est aussi possible de les utiliser pour confectionner des mémoires vives très puissantes : si un tube est coincé entre deux autres perpendiculaires, en variant le courant dans les deux tubes, les connexions sont changées valant 0 ou 1 (les chiffres composant le systéme binaire des ordinateurs) et lorsque le courant est éteint le bit reste mémorisé. Des nanotransistors ultrarapides peuvent être réalisés : lorsque le support du nanotube est neutre, ce dernier est conducteur, mais si le support est chargé négativement, il est isolant. Par ailleurs, les nanotubes sont capables d’émettre des électrons lorsqu’on les soumet à un champ électrique. Ils pourraient alors remplacer les cathodes encombrantes des écrans cathodiques pour fabriquer, avec le même système, des écrans plats (les cathodes éjectent des électrons qui viennent bombarder la surface phosphorescente de l’écran pour allumer les pixels, les points constituant l’image affichée).
Enfin, les nanotubes sont aussi des objets intéressants pour le chimiste, qui peut les remplir d’atomes par capillarité pour y stocker du gaz ou des molécules, ou greffer des molécules à leur surface pour créer de nouvelles réactions chimiques ou réaliser des capteurs chimiques.
En effet le développement des nanotechnologies en Corée du sud a fait un grand bond. Ceci est dû à une bonne commercialisation des produits et en particulier des investissements fournis de la part du secteur privé et du gouvernement. Ce dernier a fait passer les financements de 83 milliards de wons (soit environ 66,4 millions d’euros) en 2001 à 277 milliards de wons (soit environ 221,6 millions d’euros) en 2006. La Corée du sud a ainsi réussi à se hisser au quatrième rang mondial dans le domaine, après les Etats-Unis, le Japon et l’Allemagne.
Les ingénieurs et les scientifiques coréens ont donc acquis une plus grande confiance dans le développement de leur technologie dans divers secteurs, notamment les semi-conducteurs, la médecine, l’industrie chimique et la mécanique microscopique, domaines dans lesquels les nanotubes de carbone sont en train de devenir très intéressants.
Par exemple l’équipe de scientifiques coréens dirigée par Ahn Sang-jung, chercheur au Korea Research Institute of Standards and Sciences (KRISS), a découvert accidentellement une technologie attendue depuis longtemps pour plier les nanotubes de carbone. Elle est basée sur l’utilisation d’un faisceau d’ions.
Elle a été utilisée pour la fabrication de pointes pour microscope à force atomique (AFM). Un microscope à force atomique utilise la réaction des atomes entre eux: à très faible distance ils ont naturellement tendance à s’attirer (c’est la force de Van der Waals) tandis que quand ils sont extrêmement près ils se repoussent à cause des électrons de leur cortège électronique (c’est le principe d’exclusion de Pauli). Ces différentes forces utilisées pour étudier un échantillon sont mesurées à l’aide de la déviation d’une pointe microscopique généralement constituée de silicium ou de nitrure de silicium. Or cette pointe risque de s’endommager rapidement au contact des surfaces. Les nanotubes de carbone, bien plus résistants, pourraient donc les remplacer, une innovation qui était impossible sans la technologie découverte par Ahn Sang-jung.
Mais cette technologie est aussi intéressante pour d'autres raisons: elle va permettre d'accélérer les applications des nanotubes dans différents domaines comme les systèmes d'affichage par émission (écrans plats utilisant un faisceau d électrons) ainsi que les équipements permettant de régler les caractéristiques des semi-conducteurs.
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Dernière mise à jour le : 02 décembre 2007.