Les nanotubes de carbone, c'est quoi ?

Produits-phares des nanotechnologies, les nanotubes de carbone suscitent de grands espoirs chez les industriels : cinq fois plus légers et jusqu'à trois cent fois plus résistants, ils connaissent déjà des applications nombreuses... mais sont également l'objet de préoccupations sanitaires importantes.

• Les nanotubes, c’est quoi ?
  
• Quelles sont leurs propriétés ?
  
• Ils se trouvent où ?
  
• Une croissance exponentielle de leurs applications ?
  
• Et, c'est dangereux ?
  

Les nanotubes, c’est quoi ?

Les nanotubes de carbone sont des feuillets de carbone en nids d’abeille, qui ressemblent à des grillages enroulés sur eux-mêmes. A la fois très fins et très allongés, ils mesurent en général 2 à 15 nanomètres de diamètre et quelques microns de long. Leur configuration peut prendre plusieurs formes :

• un seul rouleau (nanotubes mono feuillets)
• plusieurs cylindres emboîtés comme des poupées russes (nanotubes multi parois)
• un feuillet enroulé sur lui-même comme un parchemin.

Selon les estimations de Vicky Colvin de la Rice University, il y aurait au total 50 000 sortes de nanotubes aujourd’hui [1], chacune possédant des propriétés particulières !

Quelles sont leurs propriétés ?

Généralement vendus en vrac sous forme d'une poudre impalpable, les nanotubes de carbone présentent plusieurs propriétés intéressantes :
- une résistance mécanique exceptionnelle : les nanotubes de carbone sont cinq fois plus légers et trois cents fois plus résistants à la traction que l'acier, ce qui ouvre des pistes dans le domaine des transports notamment, pour concevoir des voitures ou des avions à poids réduit, qui consommeraient moins de carburant..
- suivant leur géométrie, ils peuvent avoir une conductivité électrique bien meilleure que celle des métaux traditionnels ou se comporter comme un semi-conducteur (application en micro-électronique)
- une conductivité thermique excellente (refroidissement très rapide), d'où un intérêt pour éliminer la chaleur ou l'uniformiser,
- une bonne résistance à la température (jusqu'à 750°C dans l'air),
- une résistance chimique (à condition que la structure ne comporte aucun défaut).

Ils se trouvent où ?

Depuis les années 90, les nanotubes de carbone sont produits par des centaines d’industriels dans environ 40 pays au monde. Pour l’instant, la société américaine Hyperion Catalysis International, fondée en 1982, est le leader sur le marché, avec quatre brevets déposés en 1983. D'autres sociétés se sont créées, notamment au Japon, qui est devenu leader sur le marché de l'électronique (Sony introduit depuis des années 10% de nanotubes de carbone dans ses batteries lithium-ion). En Europe, la France, la Belgique, la Grande-Bretagne et l'Allemagne se sont mis sur les rangs en 2001.
Les principales applications des nanotubes de carbone concernent pour l'instant :

• les articles de sport : crosses de hockey, battes de baseball, cadres de vélo, raquettes de tennis, clubs de golf, balles de tennis... qui deviennent à la fois plus solides et plus légers,
• les pièces automobiles : carrosserie et accessoires plastiques (pour une peinture électrostatique facilitée), réservoirs d’essence, pots catalytiques (pour une conductibilité électrique accrue),
• les emballages antistatiques de matériels électroniques et les containers en plastique pour produits chimiques inflammables, qui bénéficient de la très bonne conductivité des nanotubes.

D'autres développements sont à l’étude dans des domaines variés :

• Dans l’électronique : les nanotubes de carbone devraient s’imposer rapidement dans les transistors, les mémoires, les batteries (gain en puissance et en mémoire). Ils devraient être présents un peu partout dans les ordinateurs de demain, dans les pièces électroniques, mais aussi dans les écrans plats ou encore dans la coque.
• Dans les structures, notamment pour l’aéronautique et l’automobile : des fibres réalisées par coagulation de nanotubes sont attendues, qui seront cinq à dix fois plus résistantes que les meilleures fibres de renfort actuelles, utilisées dans les gilets pare-balle, les coques de bateau, les voiles de navire, les ailes d'avion, les pales des éoliennes...
• Dans le domaine médical : les nanotubes peuvent constituer des vecteurs pour les médicaments, notamment pour les chimiothérapies, réduisant ainsi les effets secondaires indésirables. Ils pourraient aussi servir pour des implants ou prothèses orthopédiques et servir de matériaux de support pour guider la "repousse" de tissus endommagés.
• Dans le domaine de l’énergie : les nanotubes pourraient servir pour des cellules photovoltaïques (panneaux solaires) et pour des piles à combustible plus performantes, ou encore pour faciliter le stockage de l’hydrogène. Leur utilisation dans les câbles des lignes à haute tension est à l'étude aux États-Unis, pour réduire les déperditions énergétiques.

Une croissance exponentielle ?

Selon les études de marché, les fibres de carbone devraient suivre une croissance exponentielle. L'éventail des produits disponibles s'élargit chaque jour mais les prévisions annoncées n'ont pas (encore ?) été atteintes, notamment pour deux raisons :

• les nanotubes de carbone restent assez chers à l’achat, malgré les efforts faits pour réduire les coûts de production
• les nanotubes produits sont d'une longueur encore limitée (quelques microns), ce qui gêne la structuration et ne permet donc pas encore aisément le remplacement des fibres de renfort actuelles (carbone, aramides, verre par exemple).

Et c'est dangereux ?

Potentiellement, pour ceux qui les inhalent lors de leur production notamment. Nous abordons cette question dans la rubrique "Vers un nouveau scandale de l'amiante ?"

Nathalie Fabre - Juin 2010

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