Des batteries à l'administration de médicaments : les applications émergentes des nanotubes de carbone

Les nanotubes de carbone (CNT) sont des structures à l'échelle du nanomètre qui offrent un potentiel considérable pour améliorer différents matériaux. Néanmoins, certaines incohérences dans leurs propriétés chimiques et électriques, leur pureté, leur coût ainsi que les préoccupations concernant leurs risques de toxicité demeurent des obstacles. Les CNT sont des allotropes de carbone unidimensionnels composés d'un treillis de carbone sp2 hybridé de forme cylindrique. Les CNT mono-paroi forment un tube simple, alors que les CNT multi-parois sont imbriqués de manière concentrique ou enroulés comme un parchemin (figure 1).

Ces matériaux nanométriques présentent un module de Young et une résistance à la traction élevés et peuvent avoir des propriétés électriques métalliques ou semi-conductrices. Le contrôle de leur organisation atomique (chiralité) affecte leur conductivité et, de ce fait, les chercheurs s'efforcent de comprendre comment les paramètres de synthèse peuvent servir à générer des CNT aux propriétés électriques prévisibles. Le développement de différentes recettes à base de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) au cours des 20 dernières années pour synthétiser les CNT a amélioré cette situation.

Comme nous l'avons vu dans notre analyse de CAS Collection de contenus™, la plus vaste collection au monde d'informations scientifiques publiées organisée par des humains, la hausse de l'activité des brevets indique un intérêt croissant pour les applications commerciales des CNT (figure 2).

Croissance des brevets dans les technologies de batteries

La résistance et la conductivité des CNT les rendent utiles dans les matériaux de batterie, où ils apportent un soutien mécanique pendant les cycles de charge et de décharge, prolongeant ainsi la durée de vie de la batterie, tout en agissant également comme des chemins électroconducteurs. Notre analyse des publications relatives aux CNT a révélé que les publications de brevet font référence aux batteries environ trois fois plus fréquemment que les articles de revues. (Figure 3)

Ces tendances de publication reflètent la viabilité commerciale des CNT et leur potentiel d'utilisation dans un nombre croissant d'applications concernant les batteries pour véhicules électriques et dispositifs intelligents. De nombreux brevets concernant les batteries sont issus de Chine, de Corée et des États-Unis, probablement en raison de l'importance des industries d'électronique grand public et des constructeurs de véhicules électriques dans ces régions.

Les publications au sujet des CNT comprennent plusieurs chimies de batteries : les batteries lithium-ion sont dominantes, mais les publications concernant les batteries zinc-ion ont affiché un taux de croissance remarquablement élevé au cours des dernières années. Dans les batteries zinc-ion, le rôle des CNT est de former des structures à surface active étendue, mécaniquement résilientes, flexibles et conductrices d'électrons qui supportent d'autres matériaux de cathode actifs. Cela améliore la capacité de débit et la rétention de capacité après des cycles répétés.

L'émergence des nanomatériaux à base de MXène suscite également un vif intérêt pour leur utilisation dans les électrodes de batterie. Dans cette application, les CNT peuvent être utilisés pour contrôler l'espacement entre les feuilles de MXène et les empêcher de se réempiler, ce qui améliore le transport ionique. Les combinaisons CNT-MXène peuvent aussi être utilisées dans des supercondensateurs pour les applications de stockage de l'énergie, même si ces citations dans les publications apparaissent principalement dans les revues, ce qui indique qu'elles ne sont pas prêtes pour une commercialisation à grande échelle.

Une croissance régulière des applications composites

Depuis leur découverte au début des années 1990, les principales applications des CNT concernent les composites, auxquels ils apportent une résistance mécanique et une forte conductivité thermique et électrique. On les trouve dans des produits qui vont des articles de sport aux revêtements industriels. Nous voyons maintenant des publications au sujet des CNT qui citent leur utilisation dans des hydrogels, des résines époxy et des polymères, y compris l'acide polylactique (PLA), un polymère renouvelable et biodégradable. Dans certains cas, les CNT sont utilisés pour renforcer des matériaux fragiles et les aider à supporter des applications mécaniquement exigeantes. (Figure 6)

Les autres citations notables concernent les CNT associés à des matrices de polymères pour le blindage électromagnétique. Le grand nombre de publications de revues et de brevets liés aux composites démontre la viabilité des innovations à base de composites en CNT dans des applications commerciales et plus expérimentales.

Intérêt pour la recherche sur les capteurs et les usages biomédicaux

Il existe deux domaines dans lesquels la recherche n'a pas atteint une commercialisation à grande échelle, mais possède un potentiel considérable : les capteurs et les usages biomédicaux tels que l'administration de médicaments. Les capteurs constituent la deuxième plus importante utilisation référencée dans les publications de revues relatives aux CNT. Les CNT peuvent être utilisés pour activer à la fois des capteurs chimiques et mécaniques, tels que ceux utilisés pour mesurer la tension ou la pression dans la détection de mouvements humains. Leur résistance, leur format, leur conductivité et leur aptitude à être activés chimiquement les rendent utiles pour convertir et transmettre ces stimuli, ce qui explique leur potentiel dans ces dispositifs.

Notre analyse a révélé que, si 14 % des publications de revues concernant les CNT se rapportent aux capteurs, seules 7 % des publications de brevets concernent ce domaine. Il est possible qu'à ce stade de leur développement, la fabrication de certains capteurs à l'échelle d'un laboratoire requiert trop de main d'œuvre ou de matériaux coûteux à assembler pour être commercialement viable. Les capteurs conçus en laboratoire pourraient aussi être des preuves de concept ou utiliser des stimuli cibles présentant un intérêt commercial relativement moindre pour un développement futur.

De même, les applications biomédicales des CNT représentent 9 % des publications de revues, mais seulement 3 % des publications de brevets. Les CNT ont été utilisés comme matériau de renfort pour des stents d'administration de médicaments, comme matériau conducteur sur des cathéters périnerveux et comme matériau antibactérien et structurel pour les implants osseux. Ces applications sont prometteuses, mais les CNT peuvent présenter une toxicité en fonction de leur pureté, de leur taille et de leur forme. De ce fait, d'autres essais cliniques sont nécessaires pour explorer pleinement leurs usages biomédicaux spécifiques avant la commercialisation.

Potentiel pour les applications d'assainissement de l'environnement

La zone de surface importante des CNT et leur adaptabilité chimique les rend idéaux pour l'élimination par absorption et les autres types d'élimination de polluants environnementaux. Ils peuvent aussi être modifiés et adaptés à l'aide de co-catalyseurs afin de renforcer leur réactivité à certains polluants. Par exemple, une pérovskite-oxyde de lanthane-gadolinium-fer renforcé de CNT a présenté une amélioration de la photocatalyse de la dégradation du rouge de phénol par rapport à une pérovskite sans CNT.

Les CNT peuvent aussi être utilisés comme absorbants dans le traitement des eaux usées. Ils ont permis d'éliminer avec succès la ciprofloxacine, un antibiotique difficile à détruire et toxique pour les organismes aquatiques. Depuis lors, nous avons assisté à une croissance significative du nombre de citations comparant les performances des CNT et du biocharbon pour éliminer les polluants environnementaux.

Les articles de revue relatifs aux CNT et à l'assainissement de l'environnement sont nettement plus nombreux que les publications de brevets. Cela pourrait s'expliquer par le fait que leur coût les rend économiquement inutilisables pour des activités d'assainissement ou que d'autres recherches fondamentales sont nécessaires pour améliorer leur efficacité.

Les défis des CNT à surmonter

Les applications des CNT englobent des domaines aussi variés que le stockage de l'énergie, les biens durables, les produits électroniques, l'assainissement de l'environnement et les dispositifs biomédicaux. Leurs propriétés uniques en font des ajouts précieux à un large éventail de produits, mais le besoin de précision dans ces applications complique leur utilisation. Notre analyse a révélé que l'affinage des paramètres de synthèse pour contrôler la taille et la chiralité restent un domaine de recherche actif. Dans la mesure où la chiralité détermine les propriétés électriques des CNT, cette recherche pourrait aboutir à des méthodes qui permettraient de surmonter ces défis.

Des recherches supplémentaires, en particulier in vivo et dans le cadre d'essais cliniques, aideront les scientifiques à mieux comprendre les risques de toxicité dans les applications biomédicales. Plus les CNT générés seront nombreux, mieux les chercheurs comprendront et contrôleront leur pureté. Le passage de la production à l'échelle pourrait aussi traiter les problèmes actuels de coût, ce qui permettrait de dynamiser le développement ultérieur de CNT pour les solutions d'assainissement de l'environnement et d'autres applications plus sensibles aux coûts.

Des obstacles majeurs subsistent pour la recherche, mais grâce à l'innovation continue, les CNT pourront réaliser pleinement leur potentiel commercial.