Créer des nanotubes de carbone par formation multicouches

Depuis leur découverte par Ijima en 1991, les nanotubes de carbone sont toujours aussi fascinants par leur structure et par leurs propriétés remarquables. Une des façons simples de les produire consiste à faire réagir sur un substrat chauffé, un composé contenant du carbone et une particule métallique de taille nanométrique (Fer, Nickel, Cobalt), qui joue le rôle de catalyseur. Cette méthode de production peut être mise en œuvre de différentes manières. Néanmoins, les mécanismes de croissance des nanotubes intriguent toujours la communauté scientifique, et le cheminement exact des atomes de carbone, pendant la croissance, reste encore à identifier précisément.


Au CEA, une équipe du DRECAM a développé une variante originale de cette méthode de production, en pulvérisant des gouttelettes contenant du toluène (composé carboné) et du ferrocène (composé fournissant des nanoparticules catalytiques). Cette méthode - souple et efficace - permet de faire croître des nanotubes de carbone multiparois parfaitement alignés, à l'image d'un tapis brosse. Leur vitesse de croissance est une des plus importantes observées jusqu'alors, et l'épaisseur des tapis peut atteindre quelques millimètres. Cette équipe a montré qu'au tout début de la croissance, la formation des nanotubes est régie par un mécanisme de croissance par la base (1).

Or, cette observation soulève une question: comment la croissance des nanotubes peut-elle continuer par la base alors qu'un tapis de plusieurs millimètres s'est formé ?

Afin de mieux comprendre le cheminement des atomes de carbone, les chercheurs du CEA ont effectué des synthèses séquencées, en interrompant le processus de croissance des nanotubes et en le reprenant. De plus, ils ont suivi le déplacement des atomes de carbone par traçage isotopique au Carbone 13.

Ainsi, ils ont pu mettre en évidence la formation d'un tapis multi-couches (2) au cours de laquelle, pour chaque séquence de synthèse, la croissance du tapis de nanotubes a toujours lieu sur le substrat, en soulevant les tapis déjà présents. Ils ont démontré que les atomes de carbone diffusent effectivement au travers des tapis de nanotubes, pour réagir sur les nanoparticules catalytiques, au niveau du substrat.

Enfin, ces synthèses séquencées ont également montré que la croissance des nanotubes nécessite l'alimentation en continu d'un composé fournissant les nanoparticules catalytiques.

Ces conclusions ont été publiées début novembre dans la revue Nanoletters: “Evidence of sequential lift in growth of aligned multi-walled carbon nanotube multilayers” Mathieu Pinault, Vincent Pichot, Hicham Khodja, Pascale Launois, Cécile Reynaud, Martine Mayne-L'Hermite.

(1) En général, les chercheurs font état de deux types de mécanismes de croissance à savoir le mécanisme dit "par la base" ou le mécanisme dit "par le haut". Dans les deux cas, il est nécessaire d'initier la réaction à l'aide d'une nanoparticule métallique catalytique. Ainsi dans le cas d'un mécanisme de croissance "par la base", le nanotube pousse sur la nanoparticule catalytique qui reste solidaire du substrat, alors que dans le cas d'un mécanisme de croissance "par le haut", le nanotube pousse sous la nanoparticule catalytique qui se désolidarise du substrat.

(2) Un tapis "multi-couches" de nanotubes de Carbone est une superposition de tapis individuels de nanotubes de Carbone alignés, dont la hauteur dépend directement de la durée de la séquence de synthèse.