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Après-demainUN ESPOIR POUR LA PRODUCTION DES NANOTUBESDe nouvelles pistes de production des nanotubes pourraient enfin amener ces matériaux vers la voie industrielle.

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Après-demain

UN ESPOIR POUR LA PRODUCTION DES NANOTUBES

De nouvelles pistes de production des nanotubes pourraient enfin amener ces matériaux vers la voie industrielle.



Les nanotubes n'en finissent pas d'être le matériau d'avenir... Sur le papier, dans l'imagination, on les utilise comme réservoirs à hydrogène pour l'automobile, comme nanosondes, commutateurs électriques, nanopuces, source froide d'électrons..., et la liste continue. Mais ces bonnes idées restent dans les cartons. La cause ? Si les nanotubes sont bien connus, on en est encore à la... nanoproduction. Et il faudra bien passer en quantités industrielles si l'on veut un jour les utiliser.

Un fort potentiel économique

Jusqu'à présent, aucun procédé de synthèse n'a permis de produire des nanotubes en quantité suffisante pour les exploiter commercialement. Les chercheurs travail- lant au four solaire d'Odeillo - le plus grand du monde -, à Font-Romeu, explorent de nouvelles pistes de production. En concentrant le rayonnement solaire au foyer du four et en le multipliant d'un facteur 10 000, ils parviennent à vaporiser du graphite contenu dans un réacteur chimique à une température de 3 000 °C. En s'évaporant, le graphite forme spontanément des fullerènes. En ajoutant des catalyseurs (cobalt, nickel, par exemple) dans le gaz rare contenu dans le réacteur, on obtient également des nanotubes. Le rendement de l'ensemble, c'est-à-dire le rapport entre les éléments créés et la masse de graphite évaporée est de l'ordre de 20 %. " Dans le réacteur de 2 kilowatts, nous sommes en mesure de fabriquer quelques dizaines de milligrammes de nanotubes par heure. Avec le grand four solaire de 1 000 kilowatts, il devrait être possible d'en produire de 50 à 100 grammes par heure, estime Gilles Flamant, directeur de recherche à l'Institut des matériaux et procédés du CNRS à Font-Romeu. Une équipe du CNRS à Bordeaux a, elle, réussi à obtenir des rubans de nanotubes d 10 à 30 centimètres de longuer (voir page 159). La production de nanotubes renferme un potentiel économique considérable ; en effet, aujourd'hui, 1 gramme purifié de ce matériau vaut 1 000 dollars dans le commerce ! " Et l'industrie attend..., piaffe même, attirée par leurs propriétés. L'un des espoirs : les écrans plats. Comme ils émettent des électrons quand on leur applique une tension électrique, les nanotubes peuvent être utilisés comme source froide d'électrons pour les émissions de champ. Et à un prix de revient avantageux. Des chercheurs de l'Université de Fribourg regardent de près les moyens d'exploiter efficacement ces propriétés des nanotubes.

Des applications variées

" Avec un traitement préalable du substrat, nous pouvons réduire le nombre et la taille des particules de métal sur lesquelles se forment les nanotubes grâce à un procédé catalytique, et influencer positive- ment les propriétés d'émission de champ ", explique Louis Schlapbach, professeur de physique expérimentale. " Ces nanotubes n'ouvrent pas seulement de nouveaux horizons pour les écrans plats, mais également pour les tubes émetteurs des stations de radio qui, avec des nanotubes, consommeraient dix fois moins d'électricité qu'avec les tubes actuels ", insiste-t-il. A l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), on est encore plus visionnaire. Ici, les chercheurs obtiennent des nanotubes par condensation d'un plasma de carbone ou par dissociation thermique d'hydrocarbures. En combinant ingénieusement des nanotubes métalliques à d'autres aux propriétés semi-conductrices, ils veulent développer toute la gamme de composants électroniques et se pencher sur les fils, les dispositifs bipolaires et les transistors à effet de champ.

Des propriétés mécaniques

" Compte tenu des extraordinaires caractéristiques mécaniques des nanotubes, nous avons mis au point un microscope à force atomique pour mesurer leurs propriétés élastiques, explique le professeur Laszlo Forró, de l'Institut de génie atomique. Cela nous permet également d'observer des structures biologiques de cellules vivantes dans différents environnements. " Les physiciens de Lausanne coopèrent étroitement avec leurs collègues de l'Université de Bâle, qui étudient le transport de courant par des nanofils moléculaires. Comme leurs fils ressemblent plutôt à des molécules qu'à des objets de la physique des solides, ils combinent des méthodes chimiques, biochimiques et physiques pour obtenir des systèmes complets. " Nous synthétisons des fils polymères conducteurs par voie électrochimique dans une matrice percée de longs trous cylindriques, en mettant à profit des méthodes biologiques pour monter des molécules d'ADN sur des puces, rapporte le professeur Christian Schönenberger de l'Institut de physique. Nous établissons le contact électrique avec le fil moléculaire à partir d'une lithographie de haute résolution à faisceau d'électrons, qui nous sert à préstructurer le substrat et à y fixer des liens conducteurs. Néanmoins, le grand défi de ce projet consiste à adresser de manière fiable une simple molécule. " Tout cela ne relève-t-il pas de la fiction ? " Les propriétés structurelles et électroniques extraordinaires des nanotubes ne font aucun doute. Nous en connaissons déjà de nombreuses, tandis que d'autres restent controversées ", reconnaît Christian Schönenbergern.



D'étonnants " cigares en carbone "

Découverts en 1991 par Sumio Ijima, de la société japonaise Nec, les nanotubes ne sont rien moins que la troisième structure cristalline du diamant, après le diamant et le graphite. Leur dimension : quelques micromètres de longueur, pour un diamètre de 1 nanomètre. Ils sont formés d'un plan de graphite roulé, fermé à ses extrémités par deux hémisphères semblables à une demi-molécule de C60. Il en existe deux types : les monofeuillets et les multifeuillets, constitués de plusieurs types emboîtés les uns dans les autres, comme des poupées russes. L'une de leurs particularités : leurs étonnantes propriétés électriques. En fonction de leur hélicité - l'angle de pliage de la bande de graphite - ils sont soit conducteurs, soit semi-conducteurs. Les nanotubes monocouches semblent être les meilleurs candidats pour les applications industrielles. " Ils sont en outre extrêmement robustes et flexibles. Leurs propriétés mécaniques sont à ce point étonnantes qu'on les qualifie de "fibres de carbone ultimes" ", explique Gilles Flamant, directeur de recherche à l'Institut des matériaux et procédés du CNRS, à Font-Romeu. Dix fois plus légers que l'acier, les nanotubes sont cent fois plus solides. Ils constituent donc le matériau idéal pour les structures spatiales ultralégères et les composites à fibres très résistantes aux chocs...

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