Restez toujours informé: suivez-nous sur Google Actualités (icone ☆)
En haut: des gouttes de rosée sur une toile d'araignée (les plus grosses mesurent un millimètre de diamètre)
Au milieu: des nanotubes de carbone revêtus de perles (de 100 nanomètres de diamètre environ)
En bas: grossissement sur les perles
© Daniel Ugarte
Les nanotubes constituent l'une des formes de carbone pur connues à ce jour, comprenant notamment le diamant, le graphite et les fullerènes, ces grosses molécules en forme de ballon de football. Il s'agit de structures tubulaires constituées d'un ou de plusieurs feuillets de carbone enroulés sur eux-mêmes, pour former un cylindre de 10 à 50 nanomètres (2) de diamètre. Depuis leur découverte, il y a une dizaine d'années, ces nouveaux matériaux sont devenus un énorme enjeu pour la technologie de demain: ils sont à la fois flexibles et résistants, ont des propriétés de conduction remarquables et sont stables. Ces caractéristiques en font de bons candidats pour les matériaux composites, l'électronique, les capteurs, ou même pour stocker l'hydrogène. Dans ce contexte, il est important de comprendre comment ils se forment.
Les nanotubes sont produits soit par des processus catalytiques, soit par la méthode "à arc électrique". C'est de cette dernière méthode que sont issus les nanotubes à billes de carbone. Elle consiste à mettre deux barreaux de graphite, éloignés d'un à deux millimètres l'un de l'autre, dans un four sous atmosphère d'hélium. Puis on fait passer un courant dans les barreaux pour déclencher un arc électrique. Au final, on récupère des aiguilles de nanotubes sur l'un des barreaux, correspondant à la cathode.
Jusqu'à présent, tous les mécanismes invoqués mettaient en jeu une phase vapeur: on imaginait que le carbone de l'anode se vaporisait sous l'effet de l'arc (5000°C) et venait cristalliser sur la cathode. Dans l'étude publiée par Science, les scientifiques ont montré que le mécanisme de formation des nanotubes implique du carbone fondu. Au départ, ils ont découvert les perles par hasard. En étudiant les aiguilles au microscope électronique, ils ont constaté que ces perles sont présentes uniquement à la périphérie des aiguilles. Les analyses de composition chimique et par diffraction ont révélé qu'il s'agissait bien de carbone pur et amorphe. En outre, les billes faisaient penser à des restes de liquide: dans la nature, lorsqu'un fil est recouvert de liquide, ce dernier forme des gouttes, comme les perles de rosée sur une toile d'araignée. De même, la condensation sur un tuyau d'arrosage produit non pas un film d'épaisseur uniforme, mais des gouttes.
Grâce à ce travail, les chercheurs ont eu l'occasion d'étudier le comportement du carbone liquide (très mal connu car il s'évapore très vite) et de voir qu'il est comparable à celui des autres liquides. Selon le scénario qu'ils ont élaboré, les nanotubes se forment, comme la plupart des cristaux, à partir d'une phase liquide en refroidissement. L'arc électrique crée une goutte de carbone à l'anode, qui s'évapore jusqu'à ce que la pression du gaz de carbone quittant la goutte soit égale à la pression d'hélium dans le four, stabilisant ainsi le carbone liquide. La goutte continue alors à se refroidir par convection et ses bords deviennent de plus en plus visqueux. A l'intérieur, le liquide refroidit lentement. Les nanotubes y cristallisent, en se collant les uns aux autres pour constituer une aiguille. Le carbone visqueux, qui recouvre l'aiguille de nanotubes, forme alors des billes de verre de carbone sur les nanotubes.
(1) du Laboratoire étude des propriété électroniques des solides (CNRS) à Grenoble, du Groupe de dynamique des phases condensées (CNRS/Université Montpellier II) et de l'Institut de technologies de Géorgie à Atlanta.
(2) 10 puissance -9 mètres, soit un millionième de milimètre.