Une technologie minuscule, des possibilités gigantesques

Il y a trente ans, les scientifiques réussissaient la première synthèse contrôlée de nanotubes de carbone à paroi unique. Depuis lors, ces nanotubes ont été incorporés à des produits allant des textiles et des articles de sport aux batteries et aux cellules photovoltaïques. À mesure que leurs utilisations se sont développées, l'intérêt pour leurs applications potentielles s'est aussi accru.

Les chercheurs s'emploient activement à trouver de nouvelles applications innovantes pour ces matériaux en raison de leurs propriétés uniques. Un succès serait synonyme de progrès majeurs dans les secteurs des énergies renouvelables, de l'administration de médicaments et plus encore. Les possibilités offertes par les nanotubes de carbone sont considérables dans de multiples domaines.

Que sont les nanotubes de carbone à paroi unique ?

Les nanotubes de carbone à paroi unique peuvent être considérés comme une seule couche d'atomes de carbone, similaire au graphène, roulée en forme de tube. Ils sont habituellement générés dans un four à vide où un substrat contenant des catalyseurs interagit avec un précurseur gazeux qui contient du carbone. Ce précurseur réagit au substrat catalytique, ce qui entraîne le développement de nanotubes au cours d'un procédé similaire à celui de la création de films dans la fabrication de semi-conducteurs.

La publication d'une réaction contrôlée pour fabriquer des nanotubes de carbone à paroi unique a suivi la découverte des nanotubes de carbone à parois multiples en 1991. Les nanotubes à parois multiples peuvent présenter de grandes variations en termes de propriétés mécaniques et électriques, de sorte que les scientifiques ont souvent préféré les nanotubes à paroi unique pour bénéficier d'un plus grand contrôle de leurs caractéristiques. L'innovation essentielle qui permet la synthèse des nanotubes à paroi unique a été l'utilisation de particules de catalyseurs dans le processus de dépôt.

Les nanotubes de carbone présentent des liens solides entre les atomes de carbone. Leur résistance à la traction peut être supérieure à celle de l'acier, un atout qui s'ajoute à leur légèreté, leur conductibilité thermique et la possibilité de les remplir d'autres matériaux ou de les combiner avec d'autres substances nanométriques pour exploiter leurs propriétés.

Les propriétés électriques des nanotubes de carbone à paroi unique sont également intéressantes et dépendent en grande partie de la structure. Ils peuvent être entièrement conducteurs comme un métal ou semi-conducteurs, selon leur chiralité, c'est-à-dire le degré de torsion en spirale sur leur longueur. La chiralité varie d'un tube à un autre, car ils se développent sur un substrat, et détermine si un nanotube individuel est semi-conducteur ou se comporte comme un métal.

Applications des nanotubes de carbone à paroi unique à ce jour

Ces propriétés uniques, telles qu'une haute résistance à la traction et un faible poids, font des nanotubes de carbone à paroi unique des ajouts importants pour les matériaux composites. Ils sont couramment utilisés dans les gilets pare-balles, les articles de sport, tels que les raquettes de tennis et les vélos, et les biens durables, comme les bateaux et les yachts.

Les propriétés électriques des nanotubes de carbone ont également ouvert des possibilités importantes et sont déjà utilisées dans les produits électroniques grand public comme les batteries lithium-ion pour véhicules électriques. Une étude récente a démontré que les nanotubes de carbone améliorent les capacités de puissance et la durée de vie des électrodes présentes dans ce type de batteries. Grâce à leur résistance, les nanotubes de carbone aident également l'électrode de la batterie à mieux supporter les contraintes mécaniques associées aux cycles de charge/décharge et aux contractions.

Opportunités d'innovation

Le stockage de l'énergie sur batteries et les énergies renouvelables ne sont que deux des nombreuses applications potentielles des nanotubes de carbone à paroi unique. Une analyse de CAS Collection de contenus™ utilisant le traitement du langage naturel, récemment publiée dans ACS Nano, révèle plusieurs tendances et relations intéressantes.

Certaines applications sont mentionnées plus fréquemment dans les brevets que dans les articles de revues, en particulier celles qui concernent les batteries, l'imagerie et les protections électromagnétiques. Cela suggère que ces applications soient considérées comme présentant un potentiel commercial plus important. Le développement de l'utilisation des véhicules électriques depuis quelques années et la demande de batteries lithium-ion qui en résulte correspondent au nombre significatif de mentions des nanotubes de carbone à paroi unique dans les demandes de brevet concernant les batteries.

D'autres domaines suscitent une plus grande activité dans la recherche universitaire. La photonique et les cellules solaires, par exemple, sont des domaines de recherche actifs, tandis que le stockage de l'hydrogène est un sujet d'étude limité, mais en croissance. Cela est dû au fait que la surface importante des nanotubes leur permet d'absorber efficacement l'hydrogène, ce qui pourrait permettre de surmonter les défis de longue date liés au stockage de ce gaz. L'ajout de nanoparticules à la surface des nanotubes peut favoriser plus de réactions avec l'hydrogène afin d'augmenter encore l'aptitude des nanotubes à l'absorber.

Les applications biomédicales comme l'administration de médicaments, même si elles sont très différentes des autres cas d'utilisation des nanotubes de carbone à paroi unique, sont également importantes pour les chercheurs, car ces molécules pourraient jouer un rôle dans la médecine personnalisée. Les électrodes implantables, qui permettraient d'exploiter la conductivité renforcée des nanotubes, constituent une autre innovation potentielle dans le domaine biomédical. En effet, les dispositifs de neurotechnologie portables et implantables sont de plus en plus répandus.

Ces applications doivent faire l'objet d'autres recherches et démonstrations de sécurité, d'efficacité et de cohérence, mais elles démontrent que les nanotubes de carbone à paroi unique offrent un immense éventail de possibilités scientifiques.

Large potentiel pour les nanotechnologies

Au cours des 30 dernières années, les nanotubes de carbone à paroi unique sont passés du stade de la recherche fondamentale en laboratoire à celui d'innovations commercialisées dans de nombreux secteurs d'activité. Ils sont maintenant positionnés pour jouer un rôle majeur dans la transition énergétique, l'évolution des véhicules électriques et même la médecine personnalisée.

À l'instar d'autres matériaux émergents, les nanotubes continueront à transformer l'avenir. Des alternatives durables, comme les biomatériaux, aux nouvelles applications, comme l'impression en 3D en biomédecine, ce rythme d'innovation rapide continuera à s'accélérer dans les années à venir.