Les nanotubes et leurs applications

Jusqu'en 1985, les seules formes cristallisées connues de carbone pur étaient le graphite et le diamant. En 1985 trois chercheurs R. Smalley, R. Curl (Rice University, Houston, USA) et H. Kroto (University of Sussex, Grande Bretagne) ont découvert une nouvelle forme de carbone, la molécule de C60 constituée de 60 atomes de carbone répartis sur les sommets d'un polyèdre régulier constitué de facettes hexagonales et pentagonales (Figure 1). Cette molécule a été appelée fullerène et tire son nom de l'architecte américain R. Buckminster Fuller qui construisit la géode du pavillon de l'exposition universelle de Montréal qui a la même forme géométrique. Il a fallu cependant attendre 1990 pour que soit mis au point par D. Huffman et W. Krätschmer (Université de Heidelberg, Allemagne) un procédé de synthèse qui a permis d'obtenir des quantités macroscopiques de ces molécules et notamment des cristaux. De ce moment date réellement le démarrage des études physiques et chimiques sur les fullerènes. La découverte des nanotubes de carbone est quant à elle due à S. Iijima (NEC, Tsukuba, Japon) qui l'identifie par microscopie électronique dans un sous produit de synthèse des fullerènes. Un nanotube de carbone est un objet tubulaire de dimension nanométrique en diamètre et de longueur micrométrique. Il est constitué d'un feuillet de graphite enroulé sur lui même de façon à former un cylindre fermé aux deux extrémités par deux demi-fullerènes (Figure 1). Depuis, différentes méthodes de synthèse spécifiques ont été mises au point et ont permis l'étude en laboratoire de la structure et des propriétés physiques et chimiques de ces objets. Ces recherches ont pris un essor extraordinaire tant sont spectaculaires à la fois la structure de cet objet et ses propriétés dans différents domaines allant de la mécanique à la nanochimie en passant par la nanoélectronique et les effets de pointe sous champ électrique. Des applications sont même d'ores et déjà à l'ordre du jour. La conférence aura pour objet de présenter l'état actuel des recherches sur les nanotubes et les enjeux pour les développements futurs. Elle se structurera de la façon suivante. Après avoir présenté le nanotube dans la famille des structures du carbone, je décrirai sa structure et son identification structurale et chimique à l'aide de la microscopie électronique en transmission dont je rappellerai le principe de façon simple. Je ferais le point ensuite sur les différentes méthodes de synthèse des nanotubes et sur les modèles qui sont actuellement avancés pour expliquer les mécanismes de formation de ces objets de façon à discuter du problème d'un dispositif de synthèse contrôlée à grande échelle, qui est un des enjeux pour les développements futurs d'applications et l'utilisation du nanotube comme nanomatériau. La dernière partie de l'exposé sera consacré aux propriétés extraordinaires de ces objets de façon à montrer l'intérêt unique que ces objets présentent aussi bien pour les sciences fondamentales que pour les applications. Concernant le développement d'applications potentielles, je m'efforcerai de mettre en relief les défis à relever pour passer de l'objet de laboratoire au nanomatériau et à son utilisation à une échelle macroscopique.