Clefs CEA 59:le nouveau monde extraordinaire..du carbone!

C ‘est une des histoires les plus passionnantes de la Science moderne : les nouvelles formes découvertes pour le carbone ! Dans mon jeune temps je ne connaissais que les formes cristallisées diamant et graphite…Or un japonais Eiji Osawa, en 1970 avait remarqué que la structure covalente de l atome de carbone permettait une certaine « souplesse » et en y mettant du sien, et avec un nombre d atomes suffisant l’ensemble pourrait se « sculpter » sous une forme en ballon de football….. Il en fit part dans des journaux japonais puis pensa à autre chose ! Le pouvoir de l imaginaire se heurtait à la rudesse du REEL !

Dans les années 1980, ce furent des américains Kroto et allia qui voulaient découvrir les mécanismes de formation de longues chaînes de carbone détectées dans l'espace interstellaire.

Comment simuler cela ? Ils vaporisèrent un disque de graphite par ablation laser et mirent en évidence l'existence d’amas d atomes particulièrement stables contenant 60 atomes de carbone, dénommées fullerènes En 1985, H. Kroto/ J . R. Heath/S.O’Brien/R. Curl /R. Smalley découvrirent le C60 qui a en effet la forme d un ballon …..Ce C60 et d’autres fullerènes furent plus tard observés en dehors des laboratoires : d’infimes quantités de fullerènes, sous la forme de molécules C60, C70, C76 et C84, sont produites dans la nature, dans la suie lors des combustions , dans les éclairs à travers l’atmosphère etc.

Pour le graphène , l’ idée théorique était a priori plus simple puisqu ‘on savait que le graphite était formé de feuillets disposés en nappes parallèles …Mais comment parvenir à isoler une nappe des autres ?...... Il fut produit en 2004 en G.B par A. Geim, avec K.Novoselov. Il peut être produit de deux manières : par extraction mécanique d une nappe du graphite (graphène exfolié) ou par chauffage d'un cristal de carbure de silicium, qui libère tous les atomes de silicium et se recroqueville en graphène (graphène épitaxial)

Et enfin en 1991 puis 1993 ce furent Sumio Iijima et D . S. Bethune d'IBM en Californie qui réussissent indépendamment à synthétiser des nanotubes en monofeuillets. Il ne s’agit en fait que d’ enrouler une feuille de graphène sur elle-même de différentes façons !

Mes photos vous donnent la diversité géométrique possible de tels agrégats et je ne serais pas étonné d en voir encore en découvrir d’autres

PRINCIPALES PROPRIETES

-Les fullerènes sont le deuxième type de nanoparticules le plus utilisé après celles d’argent. Leurs propriétés de structure, conductrices et lubrifiantes font qu’ils sont d’ores et déjà utilisés dans plusieurs champs industriels. Parmi ceux-ci, on retrouve les domaines de la pharmacie, des produits cosmétiques, de l’électronique et du développement photovoltaïque.

-Les nanotubes de carbone suscitent un énorme intérêt dans la recherche et l’ industrie car leurs propriétés sont exceptionnelles . D'un point de vue mécanique, ils présentent à la fois une excellente rigidité comparable à celle de l'acier, tout en étant extrêmement légers. Du point de vue électrique et optique, les nanotubes en monofeuillets ont la particularité tout à fait singulière de pouvoir( selon leur chiralité = enroulement dans un sens ou l’ inverse) être soit métalliques soit semi-conducteurs en fonction de leur géométrie. Ainsi ,les nanotubes peuvent présenter une conductivité supérieure à celle du cuivre (et 70 fois supérieure à celle du silicium).

-Le graphène semblait plus difficile à produire …… Mais étant un cristal bidimensionnel les électrons se déplacent sur lui à une vitesse de 1 000 km·s-1, soit 30 fois la vitesse des électrons dans le silicium. Grâce encore à ses propriétés de cristal bidimensionnel, un transistor de graphène ne s'échauffe pas. Des mesures ont établi que le graphène possède une résistance à la rupture 200 fois supérieure à celle de l'acier et qu'il est 6 fois plus léger. Un ajout de graphène dans un polymère permet d'augmenter la dureté et la stabilité thermique du polymère etc.

ROLE DU CEA ( seul ou en association )

L’article de J.C.GABRIEL , de la Direction du programmes transversal des nanosciences du CEA/GRENOBLE est extrêmement diversifié et se partage entre les problèmes (parfois très techniques ) de production ,sélection , caractérisation et utilisation de ces divers produits carbonés …. j ai donc plutôt choisi de vous montrer les photos présentant quelques unes des activités ….. Ne m’en veuillez pas si leurs légendes ont de trop petits caractères !