Fibres de nanotubes

Dans un laboratoire de l'Université Rice, une fibre noire du diamètre d'un cheveu humain s'enroule dans un bécher d'éther. Composé de nanotubes purs, le brin est l'aboutissement de près d'une décennie d'expérimentation. L'ingénieur chimiste Matteo Pasquali et ses collègues ont filé des nanotubes en fibres de plusieurs centaines de mètres de long, prouvant que des techniques de fabrication commercialement utiles peuvent être développées pour produire des matériaux à grande échelle à partir de ces molécules cylindriques de carbone pur.

L'ingénieur chimiste Matteo Pasquali, qui fait tourner des nanotubes de carbone en fibres dans son laboratoire de l'Université Rice à Houston.

Transformer des nanotubes de carbone en fibres était un rêve particulier du regretté professeur Rice, Richard Smalley, qui a partagé le prix Nobel de chimie en 1996 pour sa découverte des molécules de carbone sphériques appelées buckyballs. Les nanotubes individuels ont des propriétés remarquables : ils sont légers, ils sont solides et ils peuvent être électriquement conducteurs. Mais les assembler dans de grandes structures avec ces propriétés a été difficile.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de mai 2010

• Voir le reste du numéro
• S'abonner

En 2001, Smalley a commencé à essayer d'utiliser le traitement des liquides pour faire tourner des nanotubes de carbone en fibres qui conservaient les propriétés électriques et mécaniques des tubes sur des kilomètres de longueur - une idée qui, a-t-il admis, était vraiment folle. (voir Wires of Wonder , mars 2001) . De telles fibres seraient plus résistantes que l'acier et plus conductrices que le cuivre. Smalley les a imaginés tissés dans des câbles capables de transporter efficacement l'électricité des parcs éoliens et solaires éloignés vers les zones peuplées, sans perdre d'énergie en chaleur. Pasquali, qui faisait partie du projet depuis le début et a pris la relève après la mort de Smalley en 2005, reconnaît qu'il a commencé comme sceptique. Je pensais que c'était une folie totale, car les nanotubes de carbone ne sont pas solubles dans les fluides – et je suis un gars fluide, dit-il.

D'autres chercheurs ont fabriqué des fibres à grande échelle à partir de nanotubes secs, en les tirant de réseaux verticaux ou en les filant comme de la laine à la sortie d'un réacteur. Mais les nanotubes individuels dans ces fibres ne s'alignent pas, et un alignement correct est essentiel : les masses enchevêtrées des molécules ne transportent pas bien l'électricité, et elles ne sont pas solides. Pasquali savait que les nanotubes mis en solution s'aligneraient comme des bûches flottant sur une rivière, produisant des fibres bien ordonnées.

Le groupe a fait une percée en 2004, lorsqu'ils ont estimé que les méthodes utilisées pour fabriquer des fibres de Kevlar, un composant des gilets pare-balles, pourraient également fonctionner avec des nanotubes. Comme les nanotubes, le polymère Kevlar est long, mince et difficile à dissoudre en solution ; les fibres sont fabriquées en mélangeant le polymère avec de l'acide sulfurique, puis en tirant la solution à travers des aiguilles regroupées comme les trous d'une pomme de douche.

Les chercheurs de Rice n'ont réussi à dissoudre que de petites quantités de nanotubes à l'aide d'acide sulfurique. Mais lorsqu'ils utilisaient de l'acide chlorosulfonique, un soi-disant superacide, ils pouvaient obtenir des concentrations élevées de nanotubes en solution. Les tubes forment un cristal liquide, dans lequel ils sont déjà alignés, un avantage considérable pour les transformer en fibres.

Faire tourner une ligne

Le groupe de Pasquali commence son processus de filage avec des nanotubes à paroi unique fabriqués dans un laboratoire voisin à l'aide d'un processus développé à l'origine par Smalley. Dans un réacteur à haute pression où les températures atteignent 1 000 °C, le monoxyde de carbone se dépose sur des gouttelettes de catalyseur de fer pur et se décompose. Les atomes de carbone s'accumulent dans des cylindres creux d'environ un nanomètre de diamètre et quelques centaines de nanomètres de long. Ces nanotubes émergent du réacteur dans des dérives noires duveteuses ; ils sont conservés dans des seaux de cinq gallons empilés jusqu'au plafond, chacun ne contenant que 200 grammes.

Les nanotubes fabriqués dans ce réacteur contiennent des traces de fer qui doivent être éliminées avant que les tubes puissent être transformés en fibres. L'étudiant diplômé Colin Young remplit une chambre en verre avec des nanotubes qui ont été traités avec de l'oxygène dans un four pour oxyder le fer, le rendant soluble. À l'intérieur d'une hotte, il fixe la chambre sur un flacon d'acide chlorhydrique. Il allume un bloc chauffant sous l'acide pour le faire bouillir. En se condensant et en s'égouttant sur les nanotubes, l'acide dissout le fer ; les tubes sont laissés intacts.

Après leur douche acide, l'étudiante diplômée Natnael Behabtu charge les nanotubes et l'acide chlorosulfonique dans un tube en acier inoxydable équipé de pistons qui frottent les nanotubes uniformément dans une seule direction pour les inciter à s'aligner. La solution visqueuse résultante est constituée de 8 pour cent de nanotubes de cristaux liquides en poids.

Il détache ensuite la moitié de la chambre, et l'un des pistons avec, et le remplace par une pièce qui a été équipée d'une aiguille tournante. Le piston pousse le liquide à travers un filtre en verre (qui empêche le colmatage), dans l'aiguille, et dans un bain d'attente d'éther diéthylique. L'acide est soluble dans l'éther, mais pas les nanotubes, le résultat est donc une fibre de nanotubes pure, de 50 à 100 micromètres de diamètre et de plusieurs mètres de long.

mesurer

Pour mesurer la résistance à la traction des fibres, Young utilise de la colle pour coller une courte longueur de fibre sur un cadre en carton. Il le serre dans les étaux métalliques d'un testeur de contrainte, coupe le cadre et tire la fibre de chaque extrémité jusqu'à ce qu'elle se brise. Les fibres peuvent actuellement résister à environ 350 mégapascals de pression avant de tomber en panne, un peu moins qu'un cheveu humain, considéré comme assez solide pour son diamètre.

La résistance des fibres dépend du frottement généré là où les surfaces des nanotubes interagissent. Des nanotubes plus longs génèrent plus de friction et, par conséquent, des fibres plus résistantes. Les nanotubes de riz – que Pasquali utilise pour des raisons de commodité – sont relativement courts. Mais il explore des partenariats avec des entreprises de filage de fibres et des fabricants de nanotubes de carbone qui peuvent fournir une expertise de filage supplémentaire et des nanotubes plus longs. Pasquali espère à terme multiplier par plus de dix la résistance à la traction des fibres.

Il reste un obstacle majeur à la réalisation du rêve de Smalley d'utiliser des nanotubes pour refaire le réseau électrique. Les fibres de Pasquali ont une résistance électrique de 120 microohms par centimètre, environ huit fois supérieure à celle des fils de cuivre. La raison en est que chaque méthode de croissance des nanotubes aboutit à un mélange de versions conductrices et semi-conductrices. Pour que les fibres de nanotubes transportent suffisamment de courant pour déplacer le cuivre, elles devraient être entièrement constituées de nanotubes conducteurs. Le groupe Rice envisage de fabriquer des fibres à partir de nanotubes conducteurs séparés des tubes non conducteurs pour déterminer si de telles conductivités sont possibles. Mais le processus de tri actuel rend les nanotubes trop chers pour une utilisation dans la transmission électrique.

Pasquali reste optimiste, cependant, que ce deuxième défi sera surmonté, tout comme il a résolu le problème de la filature de nanotubes en fibres longues. Et il est sûr que lorsqu'il l'est, des fils de nanotubes solides et légers peuvent enfin remplacer les câbles en aluminium renforcés d'acier lourds et inefficaces utilisés dans le réseau électrique d'aujourd'hui, tout comme Smalley l'avait imaginé.

cacher