⚗️ Nanotube de Carbone & Fullerène — Nanostructures sp²

Les nanotubes monoparoi (SWNT) consistent en une seule couche de graphène enroulée avec un diamètre de 0,7–2 nm. Les nanotubes multiparois (MWNT) contiennent des cylindres de graphène concentriques avec un espacement interfeuillet d'environ 0,34 nm (comme le graphite), des diamètres externes de 5–50 nm, et un caractère typiquement métallique quelle que soit la chiralité car au moins une coque est généralement métallique. Les MWNT sont plus faciles à produire en masse par décharge d'arc ou dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et sont utilisés dans les composites polymères conducteurs, tandis que les SWNT sont préférés là où des propriétés électroniques précises sont nécessaires.

Le C₀ est une molécule sphérique de 60 atomes de carbone disposés en 20 hexagones et 12 pentagones — un icosaèdre tronqué avec la même géométrie qu'un ballon de football standard. Découvert par Kroto, Curl et Smalley en 1985 (prix Nobel 1996), il a un diamètre de 0,71 nm et est un semi-conducteur avec un écart HOMO-LUMO d'environ 1,9 eV. Les pentagones relâchent la contrainte qui rendrait autrement une feuille de graphène plate courbée, de façon analogue aux capuchons qui referment les extrémités des nanotubes. Le mélange C₀/PCBM reste l'accepteur d'électrons dominant dans les cellules solaires organiques.

Trois méthodes principales : (1) Décharge d'arc — des électrodes de graphite arquent dans un gaz inerte (He ou Ar) à 4000 °C ; produit des MWNT emmêlés de haute qualité. (2) Ablation laser — un laser pulsé vaporise une cible graphite-métal ; donne des SWNT propres mais un faible rendement. (3) Dépôt chimique en phase vapeur (CVD) — des gaz hydrocarbonés (CH₄, C₂H₂) se décomposent sur des nanoparticules catalytiques (Fe, Co, Ni) à 600–1200 °C ; évolutif vers des quantités industrielles et permet une croissance alignée sur des substrats pour la nanoélectronique.

L'angle chiral θ = atan(√3 m / (2n + m)) est l'angle entre le vecteur de chiralité et la direction zigzag du réseau de graphène. Il varie de 0° (zigzag, m = 0) à 30° (fauteuil, n = m). Pour un tube (10, 7), θ ≈ 24° ; pour (8, 4), θ ≈ 19,1°. L'angle chiral affecte la symétrie du tube et donc quels modes de vibration Raman sont actifs — un diagnostic clé pour l'attribution de chiralité dans les expériences.

Les SWNT semi-conducteurs ont des bandes interdites inversement proportionnelles au diamètre : E_g ≈ 0,9 eV/d (nm). Un tube de 1 nm a E_g ≈ 0,9 eV, tombant dans le proche infrarouge — adapté aux photodétecteurs et au photovoltaïque. La mobilité des porteurs peut atteindre 100 000 cm²/Vs, dépassant largement le silicium (1400 cm²/Vs). IBM a démontré des transistors à effet de champ à base de NTC commutant à des fréquences THz, suggérant que les NTC pourraient remplacer le silicium dans l'électronique post-loi de Moore si les défis de tri et d'alignement sont surmontés.

Les usages commerciaux incluent : (1) Encres et revêtements conducteurs — les NTC remplacent l'ITO dans les écrans tactiles et les affichages flexibles. (2) Renforcement composite — 0,1 à 1 % en poids de NTC dans l'époxy augmente la rigidité de 20 à 40 % (aérospatiale, équipement sportif). (3) Anodes de batteries lithium-ion — les réseaux de NTC assurent la connectivité électrique à faible poids. (4) Administration de médicaments — les NTC peuvent pénétrer les membranes cellulaires et transporter des molécules thérapeutiques. (5) Transistors — les puces à base de NTC d'IBM (2017) ont démontré des performances équivalentes au nœud 3 nm.

La toxicité dépend de la géométrie et de la chimie de surface. Les MWNT longs et rigides (longueur > 20 μm, diamètre < 150 nm) se comportent comme des fibres d'amiante dans les poumons — ils sont trop longs pour que les macrophages les engloutissent, provoquant une inflammation chronique et potentiellement un mésothéliome dans des modèles animaux. Les NTC courts, fonctionnalisés ou emmêlés sont beaucoup moins dangereux car ils sont éliminés plus facilement. Les agences de réglementation (ECHA, EPA) traitent certains NTC comme des substances extrêmement préoccupantes et recommandent une manipulation confinée, une protection respiratoire et une surveillance de l'exposition professionnelle.

Un SWNT est conceptuellement une feuille de graphène enroulée. Inversement, déplier (couper le long de l'axe du tube) un MWNT produit des nanorubans de graphène, une méthode démontrée par les groupes de Dai et Tour en 2009. Les deux matériaux partagent la même liaison sp² et le même système d'électrons π, mais la géométrie crée des propriétés différentes : le graphène est un semi-métal à bande interdite nulle avec dispersion linéaire (cône de Dirac), tandis que l'enroulement ouvre des bandes interdites dans les tubes semi-conducteurs et transforme la densité d'états en singularités de van Hove discrètes — visibles comme des pics dans le spectre d'absorption optique.