Les nanotubes de carbone

Découverts en 1991 par le Japonais Sumio Ijima, les nanotubes de carbone sont le fer de lance de la nanotechnologie.
80 000 fois plus fin qu'un cheveu, un nanotube de carbone est 100 fois plus résistant et 6 fois plus léger que l'acier. On dit qu'un nanotube de carbone étiré depuis la Terre jusqu'à la stratosphère (12 km de long) supporterait le poids de la planète. Pour les scientifiques, il s'agit donc bien là du matériau le plus solide jamais construit.

Ses avantages ne s'arrêtent pas là : il est aussi souple et conducteur, possède d'extraordinaires propriétés thermiques, électroniques et mécaniques. Ce qui en fait un matériau particulièrement prisé des sportifs : on en trouve déjà dans les raquettes de tennis, les clubs de golf, les cadres de vélo, ou les carrosseries de formule 1.

"C'est la fibre de carbone ultime" souligne Jean-Paul Salvetat, physicien au centre de recherche de la matière divisée (CNRS) "on conserve tous les avantages sans les inconvénients". Alors que la fibre de carbone est fragile, la nanotube de carbone, constitué d'une seule molécule, jouit d'une cohésion atomique parfaite. Et alors que la fibre de carbone se casse dès qu'on la courbe, le nanotube peut s'enrouler et même se tisser !

Les nanotubes de carbone sont également les meilleurs conducteurs de chaleur et d'électricité connus de la science. Pour toutes ces qualités, ils sont très recherchés. Il n'y a qu'un problème : comme ils ont une épaisseur d'un seul atome de carbone, les nanotubes de carbone à paroi simple sont notoirement difficiles à fabriquer en grandes quantités. Jusqu'à aujourd'hui.

Mais une équipe conjointe de l'Institut Steacie des sciences moléculaires du CNRC (ISSM-CNRC) d'Ottawa et de l'Université de Sherbrooke est sur la voie de commercialiser un procédé (en attente de brevet) pour la production de masse de nanotubes de carbone de grande pureté. C'est une opération qui, selon ses auteurs, pourrait révolutionner l'usage de ce matériau de haute technologie dans des produits allant des bâtons de hockey aux chasseurs à réaction.

Les nanotubes de carbone représentent l'une des premières applications commerciales de la révolution de la nanotechnologie, un mouvement basé sur une ingénierie qui travaille au niveau même de l'atome. Par exemple, un nanomètre, unité standard de mesure dans le domaine de la nanotechnologie, mesure environ 1/80 000ième de l'épaisseur d'un cheveu humain. Les nanotubes à simple paroi sont des feuilles de carbone simples et élégantes, ou graphènes, roulées sur elles-mêmes. Leur structure cristalline les rend de beaucoup plus résistantes et moins cassantes que la fibre de carbone actuellement utilisée pour fabriquer des poteaux de selles de bicyclettes solides et ultra-légers, des bâtons de ski et des pièces d'avions. Les mêmes matériaux faits avec des nanotubes de carbone représentent un bond majeur dans la technologie et le rendement.

L'objectif de l'équipe, de commercialiser sa recherche pionnière, a reçu l'approbation sans réserve d'un groupe de dirigeants distingués des milieux d'affaires et des sciences, lors de la récente édition 2005 du concours Dossier commercial du CNRC.

Pendant la dernière décennie, les scientifiques et les entreprises du monde entier ont lutté pour tirer profit des points forts des nanotubes de carbone.

« On connaît les propriétés fantastiques de ce matériau. L'enjeu a toujours été d'en obtenir en quantité suffisante, et de qualité et de prix convenables », déclare Orson Bourne, agent de développement d'affaires à l'ISSM-CNRC. Pour le moment la production mondiale des nanotubes de carbone n'est que de 300 kilogrammes par année et elle se vend jusqu'à 600 $ le gramme, ce qui place le produit au deuxième rang derrière un autre produit du carbone, le diamant.

Maintenant, l'équipe ISSM-CNRC/Sherbrooke croit que son procédé de production pourrait bientôt doubler la production mondiale de nanotubes de carbone de haute qualité, ce qui ferait baisser les prix et susciterait de nouvelles utilisations, particulièrement dans des matériaux composites.

Le procédé utilisé par l'équipe est le résultat de la combinaison de l'expertise dans le domaine de la croissance de nanotubes de carbone assistée par laser et d'un procédé industriel bien connu appelé technologie de plasma inductif thermal. Le procédé consiste en une vaporisation de matériau de carbone dans un plasma de chaleur intense (une forme de matière dans laquelle les électrons sont séparés du noyau), et les atomes de carbone sont ensuite « maillés » les uns aux autres. L'équipe ISSM-CNRC/Sherbrooke a également raffiné le procédé chimique permettant de mélanger les tubes dans des résines pour en faire usage dans des matériaux composites.

Et M. Bourne de conclure : « Si nous pouvons montrer que ces composés de nanotubes de carbone peuvent avoir la performance qu'on en attend dans ces applications, nous auront fait un grand bout de chemin vers la validation de leur utilisation sur le véritable grand marché, celui de l'aérospatiale. »

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