Les applications des nanotubes de carbone

Relever les plus grands défis de notre époque implique parfois de maîtriser le pouvoir des plus petites particules : les nanoparticules. Nous plongeons ici dans le monde fascinant des nanotubes de carbone (CNT), une merveille de la nanotechnologie avec le potentiel de révolutionner de nombreuses industries.

Que sont les nanotubes de carbone ?

Les nanotubes de carbone sont des structures cylindriques et creuses composées d’atomes de carbone arrangés en réseau hexagonal. Les CNT peuvent être à paroi simple (SWCNT) ou à paroi multiple (MWCNT), avec des configurations différentes offrant des propriétés uniques en fonction de leur taille et de leur structure. Le diamètre d’un nanotube de carbone est mesuré à l’échelle nanométrique, mais ils peuvent avoir des rapports d’aspect extrêmes où leur longueur s’étend à l’échelle du millimètre. L’exceptionnelle résistance à la traction des CNT, combinée à leur conductivité thermique et électrique unique, pourrait signifier qu’ils deviennent inestimables dans de nombreux domaines de recherche et applications¹.

Nouvelles frontières en électronique

Au cours des 30 dernières années, une tendance marquante dans l’électronique a été le rétrécissement progressif des appareils électroniques de tous les jours tandis que leur puissance de calcul et leur complexité ont augmenté. La volonté de créer des appareils de plus en plus petits et puissants a été une motivation première pour l’industrie électronique d’adopter la nanotechnologie, y compris les CNT. L’attrait des nanotubes de carbone va au-delà de leur taille. Par exemple, les CNT présentent une conductivité électrique exceptionnelle, faisant d’eux des candidats idéaux pour développer des transistors haute performance² qui peuvent promettre des vitesses de traitement plus rapides et une plus grande efficacité énergétique par rapport aux dispositifs traditionnels à base de silicium. De plus, la solidité mécanique des CNT pourrait être avantageuse lors du développement d’électroniques flexibles ou de composants soumis à des contraintes et tensions répétées.

Avancées en science des matériaux

L’une des applications les plus passionnantes des nanotubes de carbone réside dans leur capacité à renforcer les matériaux composites³. L’incorporation de CNT dans des polymères, métaux, et céramiques, produit des composites significativement plus résistants, plus durables, et plus légers que leurs homologues conventionnels. Ces matériaux améliorés ont de vastes applications, notamment pour des composants aéronautiques, des pièces automobiles, et des équipements sportifs, où l’équilibre entre poids et performance est souvent crucial. De même, la résistance mécanique des CNT est exploitée pour développer des revêtements résistants à l’usure qui améliorent la longévité et la fonctionnalité de divers produits. Ces revêtements sont particulièrement précieux dans l’industrie électronique où ils peuvent également exploiter les propriétés électriques et thermiques des CNT pour protéger les composants délicats.

Révolutionner le stockage d’énergie

Le secteur de l’énergie subit une transformation monumentale stimulée par l’adoption croissante de sources d’énergie renouvelables et le passage en cours vers l’électrification. L’un des principaux défis qui accompagne cette transformation est la demande croissante de stockage d’énergie. Les nanotubes de carbone pourraient rapidement devenir essentiels à cette révolution en raison de leur capacité à stocker et conduire l’énergie. Grâce à leur structure en treillis pour de si petites particules, les CNT ont une grande surface qui leur permet de stocker plus de charge que les condensateurs traditionnels. Ce comportement a conduit à ce que les CNT soient parfois décrits comme des «super-condensateurs»⁴. De plus, dans la technologie des batteries, l’utilisation d’électrodes améliorées par des CNT a été montrée pour faciliter le transport rapide d’ions, ce qui améliore significativement la capacité, les taux de charge / décharge, et donc l’efficacité, la performance et la durée de vie des batteries.

Découvertes médicales et biocapteurs

Les CNT ont montré un potentiel remarquable dans les domaines de la médecine et de la biosensibilisation, notamment grâce à leurs propriétés physiques uniques et, surtout, leur biocompatibilité. Les CNT peuvent être fonctionnalisés pour transporter des biomolécules spécialisées pour une administration ciblée de médicaments grâce à leurs échelle nanométrique et grande surface⁵. De plus, les CNT utilisés pour l’administration de médicaments peuvent être développés pour libérer les thérapies spécialisées de manière contrôlée en réponse à des stimuli spécifiques. Les implications de ces avancées signifieront que les médicaments peuvent être administrés directement aux cellules ou tissus malades, améliorant l’efficacité du traitement tout en minimisant les effets secondaires.

Un autre domaine d’application passionnant dans la médecine pour les CNT est la biosensibilisation et l’imagerie. Tout comme leur utilisation dans l’administration ciblée de médicaments, les CNT peuvent être marqués avec des agents de contraste ou des marqueurs fluorescents pour permettre une imagerie haute résolution des structures cellulaires et moléculaires. De plus, leurs propriétés conductrices uniques peuvent être exploitées pour développer des capteurs capables de détecter des biomarqueurs dans le sang et d’autres fluides biologiques.

Purification et filtration

Dans le traitement de l’eau, les CNT excellent dans l’élimination des contaminants, métaux lourds et pathogènes, offrant un accès à une eau propre et sûre⁶. Leur grande surface et haute porosité sont idéales pour adsorber des contaminants tels que les métaux lourds, les polluants organiques et les bactéries. Ces propriétés étendent leurs capacités pour être utilisés dans des systèmes de filtration de l’air où les CNT peuvent capturer des particules nocives de notre atmosphère afin d’améliorer la qualité de l’air et de réduire les risques pour la santé associés à la pollution de l’air.

Conclusions

Le potentiel des nanotubes de carbone est vaste et transformateur. De l’électronique et la science des matériaux au stockage d’énergie et à la médecine, les CNT sont à l’avant-garde de l’innovation. Parmi les plus grands défis pour les progrès scientifiques figurent l’administration ciblée de médicaments pour des maladies de plus en plus complexes, l’électrification et le développement des batteries, la réduction et la mitigation de la pollution généralisée ainsi que la facilitation de la transition vers les énergies renouvelables. Tous ces défis peuvent être relevés avec l’utilisation astucieuse des CNT.

Chez Malvern Panalytical, nous sommes ravis de faire partie de cette révolution technologique, en développant des solutions qui nous permettent de découvrir les incroyables propriétés des CNT pour relever les défis d’aujourd’hui et exploiter les particules et la science des matériaux pour créer un avenir plus sain et durable.

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Références

1. Harris, P. J. F. Carbon Nanotube Science: Synthesis, Properties and Applications. (Cambridge University Press, 2009).
2. Franklin, A. D., Hersam, M. C. & Wong, H.-S. P. Transistors à nanotubes de carbone : fabriquer des électroniques à partir de molécules. Science 378, 726–732 (2022).
3. Coleman, J. N., Khan, U., Blau, W. J. & Gun’ko, Y. K. Petits mais forts : une revue des propriétés mécaniques des composites nanotube de carbone-polymère. Carbon 44, 1624–1652 (2006).
4. Yu, D. et al. Synthèse à grande échelle de fibres de nanotubes de carbone–graphène à structure hiérarchique pour le stockage d’énergie capacitive. Nature Nanotech 9, 555–562 (2014).
5. Jha, R., Singh, A., Sharma, P. K. & Fuloria, N. K. Nanotubes de carbone intelligents pour le système de délivrance de médicaments : une étude complète. Journal of Drug Delivery Science and Technology 58, 101811 (2020).
6. Das, R. et al. Nanotubes de carbone multifonctionnels dans le traitement de l’eau : le présent, le passé et l’avenir. Desalination 354, 160–179 (2014).