Parfaire la recette des nanotubes

Leur épaisseur ne dépasse pas 1/10 000e de celle d'un cheveu humain et pourtant, les propriétés physiques et optiques inhabituelles des nanotubes de carbone en font un nouveau matériau fascinant dans divers secteurs comme la mécanique, l'électronique et l'optoélectronique.

Les nanotubes de carbone naissent généralement à très haute température, des gaz contenant cet élément. Cependant, leur croissance reste nimbée de mystère.

« On ne comprend pas vraiment les mécanismes moléculaires à leur origine », avoue Paul Finnie, de l'Institut des sciences des microstructures du CNRC (ISM-CNRC). Saisir comment se forment les nanotubes et maîtriser ce processus constituera un grand pas dans la réalisation du formidable potentiel qu'ils représentent.

Lors d'une grande première mondiale, les chercheurs de l'ISM-CNRC ont réussi à photographier un nanotube lors de sa formation dans un four chauffé à blanc. En recourant à une technique de microscopie optique évoluée appelée « imagerie Raman de surface à nombre d'ondes fixe » (GRI, pour Global Raman Imaging), des chercheurs ont vu des nanotubes se développer à une température allant jusqu'à 900 degrés Celsius.

« Tout brille à cette température, ce qui exclut l'usage de certaines techniques d'imagerie, explique M. Finnie. Mais cela ne pose aucune difficulté avec l'imagerie Raman, car elle s'effectue à une longueur d'onde où la luminosité n'a aucune espèce de conséquence. »

Observer les matériaux in situ, c'est-à-dire au moment où ils se forment, est une méthode souvent employée pour améliorer les processus de synthèse. À l'échelle atomique, les nanotubes de carbone ressemblent à des tubes en fil de fer de style « broche à poule ». Ils dérivent de particules métalliques de la taille du nanomètre. Ces particules absorbent du carbone jusqu'à ce qu'il y en ait trop. Commence alors à se développer un nanotube. « Le processus est dynamique. Sans mesures in situ, on ne verrait que le résultat final », précise M. Finnie.

Les chercheurs du CNRC mettent au point des techniques d'imagerie in situ pour observer ce processus au moment précis où il survient, jusqu'au nanotube individuel. La GRI permet de photographier les nanotubes en développement à intervalles d'une fraction de seconde. Bref, on réalise un film numérique. « Tous les stades sont visibles. On regarde ce qui se produit dynamiquement », reprend M. Finnie. À l'inverse d'autres méthodes d'observation comme la microscopie électronique, la GRI n'endommage pas les nanotubes et n'en affecte pas la formation.

Choisissez votre nanotube

Il existe de nombreuses sortes de nanotubes : les nanotubes monofeuillet (à paroi unique) et multifeuillets (à plusieurs parois); des longs et des courts (à l'échelle de l'atome); des nanotubes en suspension dans l'air ou collés à une surface.

Au CNRC et ailleurs, on s'efforce de mettre au point des technologies qui permettront la fabrication de nanotubes en grande quantité. Le prochain défi consistera à affiner le processus pour sélectionner les propriétés les plus désirables dans un nanotube. « On ne souhaite pas n'importe quel nanotube, mais plutôt beaucoup de nanotubes dont on aura très bien su contrôler le développement », affirme M. Finnie.

Dans ce but, les chercheurs du CNRC recourent à la GRI et à d'autres techniques d'imagerie in situ afin de comprendre pourquoi les nanotubes se forment comme ils le font. En modifiant certains paramètres tels la température, le débit et le mélange de gaz, voire le catalyseur employé pour lancer le processus, les chercheurs espèrent obtenir la recette idéale pour créer les nanotubes adaptés à des applications précises.

« Les nanotubes en suspension conviennent particulièrement aux dispositifs optiques, reprend M. Finnie. Les nanotubes monofeuillet présentent aussi beaucoup d'intérêt, car ils sont à la fois solides et légers, et possèdent les meilleures propriétés optiques. Les longs nanotubes se prêtent à maintes applications, notamment la transmission de la lumière. »

La GRI montre comment la modification de n'importe quel facteur parmi la multitude qui existe agit sur le produit final. « Le but ultime est de rationaliser le processus de synthèse de telle sorte qu'on saurait, par exemple, qu'en ajoutant 5 % de méthane au mélange, la proportion de nanotubes défectueux baisserait de 10 %. »

Ces travaux ont été partiellement financés dans le cadre d'un projet international avec l'Agence japonaise des sciences et de la technologie. Pour l'instant, les nanotubes nécessaires aux applications de pointe coûtent cher, mais M. Finnie estime que la situation changera à mesure qu'on les connaît mieux. « Éventuellement, les prix diminueront, la production augmentera et nous maîtriserons davantage les facteurs comme la taille et le diamètre des nanotubes, croit-il. Les échantillons de nanotubes continuant de s'améliorer, de plus en plus d'applications s'ajouteront, y compris celles reposant sur leurs propriétés optoélectroniques, qui intéressent particulièrement l'ISM-CNRC.