|
MENU
|
|
|
|
| Les Fullerènes |
Smalley, Curl et Kroto decouvrèrent la famille des fullerènes en 1985, ce qui leur apporta un Prix Nobel de Chimie en 1996. Les fullerènes sont une forme allotropique du carbone, tout comme le graphite et le diamant. En 1993, des scientifiques ont montré, qu’avec de l’énergie solaire, nous pouvions obtenir des fullerènes en sublimant du graphite.
La famille des fullerènes comprend des molécules formées de carbone. Ils ont la propriété de former des cages fermées. Les fullerènes sont de bons conducteurs de courant. Le C60, appelé buckminsterfullerène, est le plus connu et le plus courant puisqu’il illustre bien un ballon de football. Il correspond à un icosaèdre tronqué. Un atome de carbone est situé aux 60 sommets. Les liaisons entre les atomes de carbone dont 30 sont doubles et 60 simples sont représentés par les 90 arrêtes. Le C60 n’est pas la seule molécule carboné en cage, il y a aussi C70, C76, C78, C82, C84 et bien d’autres.
Les fullerènes et les nanotubes appliquent toutes la règle des 12 pentagones, connue sous le nom de théorème d'Euler (démontré avant lui par Descartes). C’est-à-dire, Le nombre de sommets (s), d’arêtes (a) et de faces (f) satisfont à la relation s-a+f=2. Le nombre de pentagones (p), (f-p) faces restantes sont toutes hexagonales le double du nombre d'arêtes (chacune étant commune à deux faces) est égal à 5p+6(f-p), ce qui représente également le triple du nombre de sommets (chaque atome trivalent de carbone est commun à trois faces adjacentes). Un simple comptage donne alors p=12.
|
| Synthèse à petite échelle au four solaire de 2kW |
En 1993, on démontra que l’on pouvait synthétiser des fullerènes et des nanotubes de carbone en vaporisant du graphite en utilisant l'énergie concentrée du soleil.
Le réacteur, sur l’image ci-dessous, est constitué d'un cylindre en laiton refroidi par une circulation d'eau, sur lequel s'ajuste un ballon en Pyrex. L'étanchéité est assurée par deux joints toriques au niveau du col du ballon. Le cylindre en laiton comporte une cavité dans laquelle sont placés un filtre en cellulose ainsi qu'un embout de connexion le reliant à une pompe à vide primaire qui assure la circulation du gaz rare dans l'enceinte. Le gaz rare est introduit au centre du ballon par une buse. Son arrivée est régulée par un débitmètre. La cible est constituée d'un creuset qui est placé au foyer du four solaire de 2kW.
Par ce procédé on a synthétisé des fullerènes par vaporisation de graphite sous atmosphère d'Argon. Dans les conditions expérimentales, le rendement a atteint 20%. On retrouve les fullerènes principalement dans le filtre. Ils se composent à 70% de C60 et à 30% de C70, des fullerènes de masses plus élevées étant présents sous forme de traces.
|
| Molécule C60 |
Historique
La molécule de C60 fut découverte en 1985 par Harold Kroto, Robert Curl et Richard Smalley. Le C60 porte deux noms différents : "Buckminsterfullerene"(qui provient de Buckminster Fuller, théoricien et praticien) et "Buckyball"(qui est un surnom venant du fait que le C60 a une forme de ballon de soccer).
Réseau moléculaire
La molécule de Carbone60 est constituée, comme son nom l’indique, de 60 atomes de carbone disposés d’une manière très particulière. Elle est de forme sphérique et possède 32 faces constituées de 12 pentagones et de 20 hexagones extrêmement réguliers, le tout formant un ballon de soccer.
Propriétés
Les premières expériences de pression sur les fullerènes ont été motivées par la prédiction que le C60 dense serait plus dur que le diamant. Cette hypothèse est basée sur le fait que les molécules de C60 peuvent être considérées comme du " graphite enroulé ". Vu que la liaison carbone-carbone dans le graphite est la liaison la plus forte connue, il a été supposé que les boules de C60 devraient être très incompressibles. La pression, qui pourrait rapprocher ces molécules à des distances suffisamment courtes, permettra l’obtention d’un solide extrêmement dur. Le C60 est une molécule organique non saturée, un type de molécules qui peut se lier chimiquement sous l’effet des catalyseurs, de la température ou de la pression. De cette façon, chacun de ses soixante atomes peut s’attacher chimiquement à d’autres molécules. A l’état solide, les molécules de C60 sont placées de façon compacte où elles sont indépendantes et n’interagissent qu’au travers de liaisons faibles. Sous l’effet de la pression et de la température, les molécules se rapprochent et se lient entre elles par des liaisons beaucoup plus fortes (liaisons covalentes). C’est à ce moment qu’une propriété spécifique du C60 intervient: sa grande symétrie. Dans le cas des autres molécules organiques, ou même de n’importe quel atome, les directions possibles de liaisons chimiques sont limitées, par exemple un atome de carbone dans n’a que quatre directions de liaisons, tandis que le C60 en a soixante qui sont réparties de façon homogènes. Ceci permet de construire, sous l’effet de la pression et de la température, un grand nombre de types de structures. Quoique la plupart de celles-ci soient désordonnées, il existe un bon nombre de structures ordonnées possibles, constituées par des chaînes, des plans carrés ou des plans hexagonaux de C60. De plus, le C60 a les propriétés magnétiques et électriques des fullerènes. Les électrons sont "libres" dans ces molécules de carbone et donc le C60 est un bon conducteur de courant.
Utilisation
Enfin, l'existence de fortes répercutions électroniques dans le C60 est couramment utilisée pour expliquer sa supraconductivité. Ces répercutions sont importantes dans le solide C60, sans être supérieures à celles observées dans le graphite. Nous pouvons donc retrouver le C60 dans des fils électriques ou dans tout autre matériaux utiles à la circulation d’un courant électrique.
Réactions chimiques
Étant stable, la molécule C60 ne réagit presque pas avec d’autres substances. On peut la synthétiser en la plaçant sous atmosphère d’hélium et en effectuant une décharge électrique entre deux électrodes de graphite.
Méthodes de préparation
Les différentes méthodes de préparation sont les suivantes:
- Au laser.
- Arc électrique entre 2 électrodes de graphite (qui est la plus courante)
- Méthode catalytique
- Four solaire (qui consiste a garder la chaleur et concentrer les rayons du soleil)
|
| Les Nanotubes du Carbone |
« …dix fois plus rigides que l’acier…
Un matériel miracle qui ne verra peut-être jamais le jour »
C’est que disent plusieurs scientifiques et journalistes à propos des nanotubes du carbone.
Bien que nous connaissions l’existence du carbone depuis l’Antiquité, étant l’une des éléments fondamentaux dans la vie des humains, il n’y a pas très que la nanotechnologie du carbone a vue jour.
Dans les années 1990, D. Huffman et W. Krätschmer de l’université de Heidelberg, en Allemagne, ont mis un procédé de synthèse du C60 qui a permis d’en obtenir des quantités macroscopiques et aussi des cristaux. C’est en 1991 qu’une japonaise, du nom de Sami Ijima, dans la ville Tsukuba, par un microscope électronique, identifia pour la première fois les nanotubes de carbone dans un produit de synthèse des fullerènes. C’est depuis ce moment que l’on commença sérieusement à s’intéresser à ce produit et à produire différentes méthodes de synthèse pour permettre d’étudier les propriétés physiques et chimiques de celui-ci.
Aujourd’hui, on trouve des propriétés de nanotubes dans de différents domaines tels que la mécanique, la nanochimie, la nanoélectronique et plusieurs autres.
Qu’est-ce le nanotube?
Le nanotube est une forme cristalline du carbone proche des fullerènes. C’est un des premiers produits industriels des nanotechnologies.
On les obtient par l’évaporation du carbone, forme graphite le plus souvent, avec un arc électrique dans une atmosphère d’hélium. Au début, puisque il fallait une haute température, environ 6000 C, on n’arrivait pas à beaucoup à en produire. Les nanotubes fondaient partiellement ou bien s’agglutinaient. Mais en 1992, grâce à de nouvelles techniques, telle que l’évaporation au laser ou l’adjonction de métaux catalyseurs, permit de baisser la température durant la réaction à 1200 C.
(Un métal catalyseur est une substance qui augmente la vitesse en chimie. Elle ne fait partie ni des produits, ni des réactifs. De plus, elle est régénérée à la fin de la réaction. Dans la nature, on trouve plusieurs sortes de catalyseurs telle que les protéines sous forme d’enzymes. Elle est souvent utilisée au laboratoire.)
|
| Structure des nanotubes |
C’est un feuillet de graphite enroulé sur lui-même et fermé aux extrémités par des demi sphères. Le fait d’enrouler le graphite sur lui-même crée cette chose qu’on appelle hélicité. L’hélicité, qui est le mouvement des spins sur eux-mêmes, caractérise les différents types de nanotubes.
On distingue deux types de nanotubes :
Les nanotubes à une seule paroi SWNT (“Single Wall NanoTubes”) sont constitués d’une seule paroi. Ils se trouvent la plupart du temps sous forme de faisceaux. Leur arrangement hexagonal est régulier de cylindre. Le diamètre d’un faisceau est d’environ 10 à 30 nm.
Ensuite, on tombe dans les nanotubes à plusieurs parois MWNT (“Multi Wall NanoTubes”). Les tubes « armchair »
Les nanotubes zig-zag sont constituées de plusieurs parois espacées de 0.34 nm |
| Propriétés des nanotubes |
Propriétés mécaniques
Résilience
La petite taille des nanotubes ne permet pas de véritables tests pou l’instant mais la résistance des nanotubes de carbone devrait être, d’après des simulations informatiques, environ 100 fois supérieure à l’acier pour un poids 6 plus petit.
Dureté
Certains nanotubes sont plus durs que le diamant.
Propriétés électriques
- Les nanotubes permettent de réaliser des transistors très miniatures. Une nouveauté qu’on n’a pas atteint encore atteint.
- Les nanotubes pourraient permettre de réaliser des émetteurs de champs à l’échelle du nanomètre.
- Les nanotubes sont supraconducteurs à basse température.
Propriétés chimiques
Les nanotubes sont des structures creuses, comme on un trou dans lequel on peut remplir avec d’autres composés chimiques. Ce qui peut être considéré comme un récipient, encore une fois à l’échelle nanomètre, appelés nanofils.
Propriétés de Luminescence
Des chercheurs d’IBM ont indiqué avoir réussi à faire émettre de la lumière par des nanotubes de carbone. |
| Utilisation des Nanotubes |
Il faut savoir qu’avant d’utiliser des nanotubes, il faut toujours les purifier pour se débarasser de tout déchet inutile. On utilise soit la filtration ou les traitements acides.
- Dans l’électronique, utilisation comme fil conducteur dans le futur, années 2010-2015
- Dans la mécanique, utilisée comme la meilleur fibre qui existe, dépassant l’acier et le kevlar.
- Dans la médecine, les recherches déjà commencés, on pourrait prévoir utiliser les nanotubes comme senseurs pour la conception de muscles artificiels.
- Utilisation dans le futur comme fils conducteurs d’électricité à la place du cuivre
|
|
|
; |
