Applications des nanotubes de carbone

Il existe de nombreuses propriétés et applications des nanotubes de carbone qui tirent pleinement parti des propriétés uniques des NTC en matière de rapport d’aspect, de résistance mécanique et de conductivité électrique et thermique. Dans cet article, une liste de propriétés et d’applications des nanotubes de carbone a été présentée.

Propriétés et applications des nanotubes de carbone

Propriétés des nanotubes de carbone

• Les NTC ont une conductivité thermique élevée
• Les NTC ont une conductivité électrique élevée
• Ratio d’aspect des NTC
• Les NTC sont très élastiques ~18%. d’allongement à la rupture
• Les NTC ont une résistance à la traction très élevée
• Les NTC sont très flexibles – peuvent être pliés considérablement sans être endommagés
• Les NTC ont un faible coefficient de dilatation thermique
• Les NTC sont de bons émetteurs de champ électronique

Nanotubes de carbone. Applications

• Émission de champ des NTC
• Conductivité thermique des NTC
• Stockage d’énergie des NTC
• Propriétés conductrices des NTC
• Adhésif conducteur des NTC
• Matériaux thermiques des NTC
• Électronique moléculaire basée sur les NTC
• Applications structurelles des NTC
• NTC. fibres et tissus
• Applications biomédicales des CNT
• CNTs aériens & Filtration de l’eau
• Supports de catalyseur des CNTs
• Autres applications des CNTs

Conductivité électrique des CNTs

La conductivité des CNTs a suscité un intérêt pratique important. Les NTC avec des combinaisons particulières de M et N (paramètres structurels indiquant à quel point le nanotube est tordu) peuvent être hautement conducteurs, et donc être considérés comme métalliques. Il a été prouvé que leur conductivité est fonction de leur diamètre ainsi que de leur chiralité (degré de torsion). Les NTC peuvent être semi-conducteurs ou métalliques dans leur comportement électrique.

La conductivité des nanotubes multiparois (MWNT) est quelque peu complexe. La conductivité de certains types de NTC à structure « armchair » semble être supérieure à celle d’autres NTC métalliques. De plus, on a constaté que les réactions entre les parois des MWNT redistribuent le courant de manière non uniforme sur les tubes individuels. En revanche, le courant ne change pas à travers les différentes parties des NTC métalliques à paroi unique. Cependant, le comportement des cordes de SWNT semi-conducteurs n’est pas similaire, car le courant de transport change immédiatement à différentes positions sur les CNT.

En plaçant des électrodes à différentes parties des CNT, la résistivité et la conductivité des cordes de SWNT ont été mesurées. La résistivité des cordes de SWNT était de l’ordre de 10-4 ohm-cm à 27 °C. Cela montre que les cordes de SWNT sont les fibres de carbone les plus conductrices connues. Les cordes SWNT ont pu atteindre une densité de courant de 107 A/cm2 ; cependant, théoriquement, elles devraient être capables de soutenir des densités de courant stables beaucoup plus élevées, jusqu’à 1013 A/cm2.

Il a été signalé que les SWNT individuels peuvent présenter des défauts. De manière inattendue, ces défauts permettent aux SWNT d’agir comme des transistors. De la même manière, la combinaison de NTC pourrait donner lieu à des dispositifs de type transistor. Un nanotube avec une jonction naturelle (où une section métallique droite est jointe à une section semi-conductrice chirale) agit comme une diode redresseuse, ou un demi-transistor dans une seule molécule. En outre, il a récemment été signalé que les SWNT peuvent diriger des signaux électriques à grande vitesse (jusqu’à 10 GHz) lorsqu’ils sont utilisés comme interconnexions sur des dispositifs semi-conducteurs.

Résistance et élasticité des NTC

Les atomes de carbone du graphène (une feuille unique de graphite) forment un réseau plan en nid d’abeille, dans lequel chaque atome est relié à trois atomes voisins par une liaison chimique forte. Ces liaisons fortes font que le module d’élasticité dans le plan de base du graphite est l’un des plus grands parmi tous les matériaux connus. On s’attend donc à ce que les NTC soient les ultimes fibres à haute résistance. Les SWNT sont plus rigides que l’acier et sont extrêmement résistants aux dommages causés par les forces physiques. Lorsque l’extrémité d’un nanotube est pressée, elle se plie sans causer de dommages à l’extrémité, et lorsque la force est supprimée, l’extrémité revient à son état initial. En raison de cette propriété, les CNT sont très utiles comme pointes de sonde pour la microscopie à sonde à balayage à très haute résolution.

Il a été assez difficile de quantifier ces effets, et une valeur numérique exacte n’a pas été convenue. Un microscope à force atomique (AFM) peut être utilisé pour pousser les extrémités non ancrées d’un nanotube libre hors de leur position d’équilibre et la force nécessaire pour pousser le nanotube peut être mesurée. La valeur actuelle du module d’Young des SWNT est d’environ 1 TPa ; cependant, cette valeur est incertaine et une valeur aussi élevée que 1,8 TPa a été rapportée. En outre, d’autres valeurs considérablement plus élevées que celle-ci ont été rapportées. Des techniques de mesure expérimentales différentes pourraient être à l’origine de ces différences. D’autres ont prouvé théoriquement que le module de Young dépend de la chiralité et de la taille des SWNT, allant de 1,22 à 1,26 TPa. Ils ont calculé une valeur de 1,09 TPa pour un nanotube générique. Cependant, en travaillant avec différents MWNT, d’autres ont remarqué que les mesures du module des MWNT à l’aide de techniques AFM n’ont pas une forte dépendance au diamètre. Ils affirment plutôt qu’il existe une corrélation entre le module des MWNT et la quantité de désordre dans les parois du nanotube. Comme prévu, lorsque les MWNT se brisent, les couches les plus externes se brisent en premier.

Conductivité thermique et dilatation des CNT

De nouvelles recherches de l’Université de Pennsylvanie signifient que les CNT pourraient être le meilleur matériau conducteur de chaleur jamais connu de l’humanité. Il a été démontré que les SWNT ultra-petits présentent une supraconductivité même en dessous de 20 K. La recherche suggère que ces brins exotiques, déjà annoncés pour leur force incomparable et leur capacité unique à adopter les propriétés électriques de métaux parfaits ou de semi-conducteurs, pourraient bientôt trouver des applications en tant que conduits thermiques miniatures dans une foule de matériaux et de dispositifs. Grâce aux fortes liaisons graphitiques C-C dans le plan, ils sont rendus remarquablement rigides et résistants aux contraintes axiales. La dilatation thermique presque nulle dans le plan mais la grande dilatation entre les plans des SWNT impliquent une grande flexibilité et un fort couplage dans le plan contre les déformations non axiales. De nombreuses applications des NTC, comme dans les dispositifs de détection et d’actionnement, l’électronique moléculaire à l’échelle nanométrique, ou comme fibres additives de renforcement dans les matériaux composites fonctionnels, ont été proposées.

Les rapports de nombreuses expériences récentes sur la préparation et la caractérisation mécanique des composites NTC-polymères ont également été présentés. Ces mesures impliquent des améliorations modestes des caractéristiques de résistance des matrices incorporées de NTC par rapport aux matrices polymères nues. Des expériences préliminaires et des études de simulation sur les propriétés thermiques des NTC montrent une conductivité thermique très élevée. Par conséquent, les renforts de nanotubes dans les matériaux polymères devraient améliorer considérablement les propriétés thermiques et thermomécaniques des composites.

L’émission de champ des NTC

L’émission de champ est associée à l’effet tunnel des électrons d’une pointe métallique dans le vide, sous l’application d’un fort champ électrique. Le rapport d’aspect élevé et le petit diamètre des CNTs sont très appropriés pour l’émission de champ. Un fort champ électrique est développé à l’extrémité libre des NTCs supportés, même pour des tensions modérées, en raison de leur finesse. De Heer et ses collègues l’ont observé à l’EPFL en 1995. Il a aussi immédiatement compris que ces émetteurs de champ devaient être supérieurs aux sources d’électrons traditionnelles et qu’ils pourraient trouver leur place dans toutes sortes d’applications, notamment les écrans plats. Il est remarquable que Samsung n’ait effectivement réalisé un écran couleur très lumineux qu’après cinq ans, qui sera bientôt commercialisé grâce à cette technologie.

Pendant leurs recherches sur les propriétés d’émission de champ des MWNT, Bonard et ses collègues de l’EPFL ont observé que de la lumière était également émise en même temps que les électrons. Cette luminescence est induite par l’émission de champ d’électrons car elle n’est pas détectée lorsque le potentiel n’est pas appliqué. Cette lumière est émise dans la partie visible du spectre et peut parfois être vue à l’œil nu.

NTC à haut rapport d’aspect

Les NTC représentent un additif conducteur de très petite taille et à haut rapport d’aspect pour toutes sortes de plastiques. Leur rapport d’aspect élevé signifie qu’une charge (concentration) plus faible de CNT est nécessaire pour réaliser la même conductivité électrique par rapport à d’autres additifs conducteurs. Cette faible charge permet non seulement de préserver une plus grande partie de la ténacité des résines polymères, notamment à basse température, mais aussi de conserver les autres principales propriétés de performance de la matrice résineuse. Les NTC se sont avérés être un additif exceptionnel pour conférer une conductivité électrique aux plastiques. Grâce à leur rapport d’aspect élevé (environ 1000:1), la conductivité électrique peut être conférée à des charges plus faibles, par rapport aux matériaux additifs traditionnels tels que la fibre de carbone hachée, la fibre d’acier inoxydable ou le noir de carbone.

Applications des nanotubes de carbone

La nature unique du carbone se combine à la perfection moléculaire des NTC à paroi unique pour les doter de propriétés matérielles extraordinaires, telles qu’une conductivité thermique et électrique, une rigidité, une résistance et une ténacité très élevées. C’est le seul élément du tableau périodique qui se lie à lui-même dans un réseau étendu avec la force de la liaison carbone-carbone. L’électron pi- délocalisé donné par chaque atome est libre de se déplacer dans toute la structure, au lieu de rester avec son atome donneur, ce qui donne lieu à la première molécule connue présentant une conductivité électrique de type métallique. De plus, une conductivité thermique intrinsèque plus élevée que même le diamant est offerte par les vibrations haute fréquence de la liaison carbone-carbone.

Dans la plupart des matériaux, cependant, en raison de l’apparition de défauts dans leur structure, les propriétés matérielles réellement observées, telles que la résistance, la conductivité électrique, etc. sont dégradées de manière très significative. Par exemple, l’acier à haute résistance ne cède généralement qu’à environ 1% de sa résistance théorique à la rupture. Cependant, les NTC atteignent des valeurs très proches de leurs limites théoriques en raison de la perfection de leur structure moléculaire. Cet aspect fait partie de l’histoire unique des NTC. Les NTC sont des exemples de véritables nanotechnologies : ils ne mesurent qu’un nanomètre de diamètre, mais sont des molécules qui peuvent être manipulées physiquement et chimiquement de manière très utile. Ils trouvent une gamme incroyable d’applications dans l’électronique, la science des matériaux, la gestion de l’énergie, le traitement chimique et de nombreux autres domaines.

Conductivité thermique des NTC

Les NTC ont une conductivité thermique, une conductivité électrique et des propriétés mécaniques exceptionnelles. Ils sont probablement le meilleur émetteur de champ d’électrons possible. Ils sont des polymères de carbone pur et peuvent être fabriqués et manipulés en utilisant la chimie reconnue et extrêmement riche du carbone. Cela offre la possibilité de modifier leur structure et d’optimiser leur dispersion et leur solubilité. Plus particulièrement, les NTC sont moléculairement parfaits, en ce sens qu’ils sont généralement exempts de défauts dégradant les propriétés de la structure du nanotube. Leurs propriétés matérielles peuvent ainsi atteindre des niveaux proches des très hauts niveaux qui leur sont intrinsèques. En raison de ces caractéristiques extraordinaires, les NTC peuvent être utilisés de manière prospective dans un certain nombre d’applications.

Applications de l’émission de champ des NTC

Les NTC sont les émetteurs de champ les mieux connus de tous les matériaux. Cela est compréhensible, au regard de leur haute conductivité électrique, et de l’incroyable netteté de leur pointe (plus le rayon de courbure de la pointe est petit, plus le champ électrique sera concentré, ce qui entraîne une augmentation de l’émission de champ ; c’est la même raison pour laquelle les paratonnerres sont pointus). En outre, la netteté de la pointe indique également qu’ils émettent à une tension spécifiquement faible, un fait essentiel pour la construction de dispositifs électriques à faible puissance qui utilisent cette caractéristique. Les NTC peuvent transporter une densité de courant étonnamment élevée, probablement aussi élevée que 1013 A/cm2. De plus, le courant est extrêmement stable. Les écrans plats à émission de champ sont une application immédiate de ce comportement, qui suscite un intérêt considérable. Contrairement aux écrans conventionnels à tube cathodique où un seul canon à électrons est utilisé, les écrans à base de NTC utilisent un canon à électrons distinct (ou même plusieurs) pour chaque pixel de l’écran. Leurs faibles tensions d’allumage et de fonctionnement, leur densité de courant élevée et leur comportement stable et durable font des NTC des émetteurs de champ très intéressants dans cette application. Les types généraux de sources d’éclairage à cathode froide à basse tension, les sources de microscopie électronique et les parafoudres sont d’autres applications utilisant les caractéristiques d’émission de champ des NTC. .

Plastiques conducteurs à base de NTC

Au cours des cinq dernières décennies, une grande partie de l’histoire des plastiques a impliqué leur utilisation comme substitut aux métaux. Pour les applications structurelles, les plastiques ont énormément progressé, mais pas lorsque la conductivité électrique est nécessaire, car les plastiques sont de très bons isolants électriques. Cette lacune peut être comblée en chargeant les plastiques de charges conductrices, telles que le noir de carbone et les fibres de graphite de grande taille (celles utilisées pour fabriquer les clubs de golf et les raquettes de tennis). Toutefois, pour offrir la conductivité nécessaire à l’aide de charges conventionnelles, la charge requise est généralement élevée, ce qui conduit à des pièces lourdes et, surtout, à des pièces en plastique dont les propriétés structurelles sont fortement dégradées. Il est bien connu que lorsque le rapport d’aspect des particules de charge devient élevé, la charge nécessaire pour atteindre un niveau de conductivité donné devient faible. Pour cette raison, les NTC sont parfaits car ils présentent le rapport d’aspect le plus élevé de toutes les fibres de carbone. En outre, leur tendance naturelle à former des cordes offre des chemins conducteurs intrinsèquement très longs, même à des charges ultra-faibles.

Ce comportement des NTC est utilisé dans des applications telles que la dissipation électrostatique (ESD) ; les composites de blindage EMI/RFI ; les revêtements pour les joints, les boîtiers et d’autres utilisations ; les matériaux absorbant les radars pour les applications faiblement observables (« furtives ») ; et les matériaux antistatiques et (même transparents !) les revêtements conducteurs.

Le stockage de l’énergie par les NTC

Les propriétés intrinsèques des NTC en font le matériau de prédilection pour être utilisé comme électrodes dans les condensateurs et les batteries – deux technologies dont l’importance croît rapidement. Les NTC possèdent une bonne conductivité électrique, une surface extrêmement élevée (~1000 m2/g) et, surtout, leur géométrie linéaire rend leur surface très accessible à l’électrolyte.

Les recherches ont démontré que les NTC ont la capacité réversible la plus élevée de tous les matériaux en carbone pour une utilisation dans les batteries lithium-ion . En outre, les NTC sont d’excellents matériaux pour les électrodes de supercondensateurs et sont actuellement commercialisés pour cette application.

En outre, les NTC détiennent des applications dans divers composants de piles à combustible. Ils possèdent plusieurs propriétés, telles qu’une conductivité thermique et une surface élevées, qui les rendent précieux comme supports de catalyseurs d’électrodes dans les piles à combustible PEM. En raison de leur conductivité électrique élevée, ils peuvent également être utilisés dans les couches de diffusion des gaz, en plus des collecteurs de courant. Les caractéristiques de haute résistance et de ténacité par rapport au poids des NTC peuvent également s’avérer utiles dans le cadre de composants composites de piles à combustible utilisées dans des applications de transport, où la durabilité est primordiale.

Adhésifs et connecteurs conducteurs à base de NTC

Les propriétés exactes qui rendent les NTC souhaitables en tant que charges conductrices pour une utilisation dans les matériaux ESD, le blindage électromagnétique, et ainsi de suite, les rendent appropriés pour les applications d’interconnexion et l’emballage électronique, y compris les câbles coaxiaux, les composés d’empotage et les adhésifs et autres types de connecteurs.

L’électronique moléculaire des NTC

L’idée de construire des circuits électroniques à partir des blocs de construction critiques des matériaux – les molécules – a connu une croissance au cours des cinq dernières années, et constitue une partie essentielle de la nanotechnologie. Dans tout circuit électronique, mais plus particulièrement lorsque les dimensions se réduisent à l’échelle nanométrique, les interconnexions entre les commutateurs et autres dispositifs actifs deviennent de plus en plus essentielles. Leur capacité à être dérivés avec précision, leur conductivité électrique et leur géométrie font des NTC les candidats les plus appropriés pour les connexions en électronique moléculaire. En outre, ils ont été montrés comme des commutateurs eux-mêmes.

Matériaux thermiques à base de NTC

La conductivité thermique anisotrope record des NTC ouvre les portes à plusieurs applications qui impliquent le transfert de chaleur. Une telle application se trouve dans l’électronique, plus précisément dans l’informatique de pointe, où les puces non refroidies dépassent actuellement régulièrement les 100 °C.

La technologie permettant de créer des structures et des rubans alignés de NTC est une étape vers la réalisation de conduits thermiques extrêmement efficaces. En outre, il a été démontré que les composites contenant des NTC augmentent considérablement leur conductivité thermique globale, même à des charges incroyablement faibles.

Composites structurels à base de NTC

Les propriétés supérieures des NTC ne se limitent pas seulement aux conductivités thermique et électrique, mais comprennent également des propriétés mécaniques, telles que la résistance, la ténacité et la rigidité. Ces propriétés ouvrent la voie à une série d’applications les exploitant, notamment les composites avancés qui nécessitent des valeurs élevées d’une ou plusieurs de ces propriétés.

Fibres et tissus de NTC

Récemment, des fibres filées à partir de NTC purs ont été démontrées et connaissent un développement rapide, ainsi que des fibres composites de NTC. Ces fibres super résistantes auront plusieurs applications telles que les tissus et textiles tissés, les câbles de lignes de transmission et les blindages de corps et de véhicules. Les CNT sont également employés pour rendre les textiles résistants aux taches.

Supports de catalyseurs à base de CNT

Les CNT possèdent intrinsèquement une surface énormément élevée ; en fait, pour les SWNT, chaque atome n’est pas seulement sur une surface – mais sur deux surfaces, l’intérieur et l’extérieur du nanotube. La possibilité de fixer pratiquement n’importe quelle espèce chimique sur leurs parois latérales (fonctionnalisation) ouvre la voie à des supports de catalyseurs uniques. Leur conductivité électrique peut également être utilisée de manière propice dans la quête de nouveaux catalyseurs et de nouveaux comportements catalytiques.

Applications biomédicales des NTC

Bien que l’exploration des NTC dans les applications biomédicales ne soit qu’en cours, elle présente un grand potentiel. Comme une grande partie du corps humain est composée de carbone, il est généralement considéré comme un matériau très biocompatible. La croissance de cellules sur les NTC a été démontrée ; ils n’ont donc apparemment aucun effet toxique. Les cellules n’adhèrent pas non plus aux NTC, ce qui ouvre la voie à des applications telles que les revêtements antisalissures pour les navires et les revêtements pour les prothèses.

La possibilité de fonctionnaliser (modifier chimiquement) les parois latérales des NTC donne également lieu à des applications biomédicales, notamment la croissance et la régénération des neurones, et les stents vasculaires. Il a également été démontré qu’un seul brin d’ADN peut être lié à un nanotube, qui peut ensuite être efficacement inséré dans une cellule.

Filtration de l’air et de l’eau par les NTC

Plusieurs sociétés et chercheurs ont déjà développé des dispositifs de filtration de l’eau et de l’air à base de NTC. Il a été rapporté que ces filtres, en plus de bloquer les plus petites particules, peuvent également détruire la plupart des bactéries. C’est un domaine de plus où les NTC ont déjà été commercialisés et où des produits sont disponibles dès maintenant.

Applications céramiques des NTC

Des scientifiques spécialisés dans les matériaux à UC Davis ont produit un matériau céramique renforcé par des nanotubes de carbone. Le nouveau matériau est nettement plus résistant que les céramiques traditionnelles, il conduit l’électricité et peut à la fois conduire la chaleur et fonctionner comme une barrière thermique, en ce qui concerne l’orientation des nanotubes.

Puisque les matériaux céramiques sont très durs et résistants à la chaleur et aux attaques chimiques, ils sont précieux pour des applications telles que le revêtement des aubes de turbine ; cependant, ils sont aussi très fragiles. Les chercheurs ont mélangé de l’alumine (oxyde d’aluminium) en poudre avec 5% à 10% de nanotubes de carbone, en plus de 5% de niobium finement broyé. Le mélange a été traité par une impulsion électrique dans un processus appelé frittage par plasma d’étincelles par les chercheurs. Ce procédé assemble les poudres céramiques plus rapidement et à des températures plus basses que les procédés traditionnels.

La ténacité à la fracture (résistance à la fissuration sous contrainte) du nouveau matériau est jusqu’à cinq fois supérieure à celle de l’alumine traditionnelle. Le matériau présente une conductivité électrique sept fois supérieure à celle des céramiques antérieures fabriquées avec des nanotubes. Il présente également des propriétés thermiques fascinantes, conduisant la chaleur dans une direction, le long de l’alignement des nanotubes et, d’autre part, réfléchissant la chaleur à angle droit par rapport aux nanotubes, ce qui en fait un matériau privilégié pour les revêtements de barrière thermique.

Autres applications des nanotubes de carbone

Il existe plusieurs autres applications potentielles pour les NTC, notamment la collecte solaire, les filtres nanoporeux, les supports de catalyseurs et toutes sortes de revêtements. Il y a presque certainement plusieurs applications surprenantes pour cet excellent matériau qui seront révélées à l’avenir, et qui pourraient s’avérer être les plus importantes et les plus précieuses de toutes. Un certain nombre de chercheurs ont étudié le papier conducteur et/ou imperméable produit à l’aide de NTC. Il a également été démontré que les NTC absorbent la lumière infrarouge et pourraient avoir des applications dans le secteur de l’optique I/R.

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Cette information a été sourcée, revue et adaptée à partir de documents fournis par Cheap Tubes Inc.

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