Voir la version complète Les Nanotubes De Carbone

Les Nanotubes De Carbone

Imprimer Document!
S'inscrire - Rechercher de 155.000+ Dissertations

Catégorie: Sciences et Technologies

Soumis par: Jessamine 19 mars 2012

Mots: 6391 | Pages: 26

...

................. 27 Contact avec les nanoparticules................................................................................. 27

Pénétration dans l’organisme ............................................................................................ 28 2. B. 1. 2. 3. C. 1. 2. Effets sur la santé....................................................................................................... 29 Les risques sur l’environnement ................................................................................ 30 Tests de nuisibilité ..................................................................................................... 30 Déplacement dans l’eau ............................................................................................. 31 Dispersions dans l’environnement ............................................................................. 31 Interrogations éthiques .............................................................................................. 32 A-t-on vraiment besoin des nanotechnologies ?........................................................ 32 Tout humain est craintif face à l’inconnu .................................................................. 33

4

D.

Risques économiques ................................................................................................ 34

Conclusion................................................................................................................................ 35

5

TABLE DES ILLUSTRATIONS

Figure 1 : Les différentes variétés du carbone ........................................................................... 1 Figure 2 : Le graphite constitué de plusieurs feuilles de graphène superposées........................ 1 Figure 3 : Schéma de la disposition des atomes de carbone qui forment le diamant................. 1 Figure 5 : représentation de la disposition des atomes qui constituent le graphène................... 1 Figure 4 : une photographie de graphène, prise avec un microscope classique........................ 1 Figure 7 : Une molécule de fullerène ......................................................................................... 1 Figure 6 : un ballon de football en comparaison ........................................................................ 1 Figure 9 : Nanotube Mono-feuillet........................................................................................... 12 Figure 8 : Schéma dimensionnel des nanotubes mono-feuillets et multi-feuillets..................... 1 Figure 10 : Faisceau de Monotubes de carbones........................................................................ 1 Figure 11 : Nanotube Multi-feuillet réalisé selon le modèle du «parchemin»........................... 1 Figure 12 : Nanotubes Multi-feuillets fait de la manière «poupée russe» ................................. 1 Figure 13 : Enroulement des nanotubes ..................................................................................... 1 Figure 14 : Les différents types d’enroulement d’un nanotube .................................................. 1 Figure 15 : une vis d’Archimède (à gauche) comparée au nanotube (à droite).......................... 1 Figure 16 : Exemple d’extrémité de nanotube............................................................................ 1 Figure 17 : Les différents fullerènes utilisables pour les extrémités des différents types d’enroulement des nanotubes ..................................................................................................... 1 Figure 18 : Procédé de l’arc électrique de Krätschmer et Huffmann ......................................... 1 Figure 19 : Procédé de synthèse par ablation laser .................................................................... 1 Figure 20 : Schéma du procédé du four solaire.......................................................................... 1 Figure 21 : Procédé de synthétisation de nanotubes à moyenne température ............................ 1 Figure 22 : Représentation de l’organisation atomique du nitrure de bore(les deux types d’atomes sont représentés par 2 couleurs différentes) ................................................................ 1 Figure 23 : Exemple de nanotubes déformé............................................................................... 1 Figure 24 : Nanofils encapsulés contenant des atomes de tritium ............................................. 1 6

Figure 25 : Comparaison de la résistance des différents matériaux avec de gauche à droite : les nanotubes, fibres de carbones, Kevlar et acier ........................................................................... 1 Figure 25 : Comparaison de la résistance des différents matériaux avec de gauche à droite : les nanotubes, fibres de carbones, Kevlar et acier ........................................................................... 1 Figure 25 : Comparaison de la résistance des différents matériaux avec de gauche à droite : les nanotubes, fibres de carbones, Kevlar et acier ........................................................................... 1

7

Introduction

Les Nanotubes de Carbones ont été découverts il y a maintenant une vingtaine d’année. Depuis ils sont devenus l’objet d’une recherche permanente et leurs développement a amené leurs application dans des domaines de plus en plus variées. Les différents gouvernements accordent de plus en plus de moyens aux recherches dans les nanotechnologies car dans de nombreux domaines ceux-ci semblent représenter l’avenir de la science. Mais jusqu'à présent leurs risques ont été très peu connus et peu étudié et ce n’est que récemment que l’on s’est interrogé sur leurs possibles dangerosités pour l’homme. On se proposera donc ici d’énoncer leurs risques potentiels connus actuellement et de parler également du débat que ces nouvelles technologies apportent en thème d’éthique. Ainsi, les nanotubes de carbones qui sont le fer de lance des nanotechnologies sont t’ils une révolution pour la science, ou un véritable danger pour l’homme ?

8

I. Les Nanotubes de Carbones

A. Rappel sur les différentes variétés du carbone sur Terre

Le Carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12.01.Le carbone est présent naturellement sur terre sous plusieurs formes. Possédant 3 liaisons, les atomes de carbones peuvent s’associer en structure cristalline simples que l’on retrouve le plus souvent sous les formes de Graphite, d’Anthracite et de Diamant.

Figure 1 : Les différentes variétés du carbone

-On peut voir sur ce schéma l’ensemble des différentes variétés du carbone connues : A- Diamant B- le graphène C-Une variation du diamant: lonsdaleite D à F-Différentes versions de Fullerènes G-Carbone Amorphe (variété désorganisé du carbone) H-Nanotubes de carbones

9

-le Graphite : composée d’une succession de couches de graphènes le graphite est un minerai qui se trouve surtout dans les sédiments rocheux mais que l’on peut également trouver dans le charbon et le magma. C’est un bon conducteur électrique tout en étant également bon conducteur thermique. Il est utilisé dans de très nombreux domaines industriels comme les lubrifiants, les crayons ou comme conducteur électrique mais aussi dans la médecine en tant qu’absorbant en cas d’intoxication par voie orale. C’est la version la plus courante du carbone sur terre.

Figure 2 : Le graphite constitué de plusieurs feuilles de graphène superposées

-L’Anthracite est issu de la liaison d’atomes de carbones avec des atomes d’hydrogène et d’oxygènes. Avec 95% d’atomes de carbone il est considéré comme l’une des variétés les plus purs du carbone. Il fut surtout utilisé au cours des XIX et XXème siècles comme étant du charbon de très haute qualité. -Le diamant : composé de carbone, c’est le plus dur de tous les matériaux naturels présent sur terre du fait de la disposition particulière de ses atomes en forme dérivée du cristal cubique à face centré (voir représentation).C’est un très bon conducteur thermique mais pas électrique.

Figure 3 : Schéma de la disposition des atomes de carbone qui forment le diamant

10

Graphènes: le graphènes est un cristal de carbone plat et formé d’atomes de carbones disposé régulièrement en forme hexagonale. C’est le matériau le plus fin du monde avec 0.6 nm (soit l’épaisseur de l’atome de carbones) et il est 200 fois plus résistant que l’acier et pourtant souple. De plus c’est un très bon conducteur comparable au cuivre à la différence près que le graphènes ne chauffe pas lorsqu’il est traversé par un courant électrique : c’est un isolant thermique mais pas électrique. L’empilement de couches de graphènes successives constitue le graphite.

Figure 4 : représentation de la disposition des atomes qui constituent le graphène

Figure 5 : une photographie de graphène, prise avec un microscope classique

En 1985 les Physiciens Harold Kroto, Robert Curl et Richard Smalley découvrent une nouvelle forme de carbone : les Fullerènes. La première observée fut appelé C60 du fait de sa composition de 60 atomes de carbones répartie sur une sphère quasi parfaite. Leurs organisation est similaire au graphènes avec des feuille d’anneaux hexagonaux liées mais certains de ces anneaux sont pentagonaux et parfois heptagonaux ce qui confère une forme de sphère à la molécule (sans quoi elle serait aussi plate). Le premier Fullerène découvert était composé de 12 pentagones et 20 hexagones ce qui lui valut d’être comparé à un ballon de football, d’où son surnom «Footballènes» ou encore «Buckminsterfullerène» du nom de l’architecte du dôme géodésique de Montréal. Par la suite on a pu fabriquer des molécules de la famille des fullerènes composé de 28 à plus de 100 atomes de carbones.

Figure 6 : Une molécule de fullerène

Figure 7 : un ballon de football en comparaison

11

B. Qu’est-ce qu’un Nanotube ?

C’est en 1991 que les nanotubes de carbones ont été découverts par le Dr. Sumio Iijima, six années après la découverte des fullerènes par Harold Kroto. Durant la synthèse de fullerènes Iijima a observé un dépôt noir formée de tubes creux fermés à chaque extrémité et composé de carbone cristallisé. Ces structures seront appelés nanotubes de carbones. On peut aujourd’hui affirmer que ces nanotubes existaient déjà et pouvaient s’obtenir lors d’une combustion de carbone dans une cheminée par exemple. Elles sont de diamètre nanométrique mais de longueur de l’ordre du micromètre. Il s’agit tout simplement de feuille de graphènes enroulés sur elles même et fermés à chaque extrémité par des demi-fullerènes.

Figure 8 : Schéma dimensionnel des nanotubes mono-feuillets et multi-feuillets

1. Structure -On connait deux types de nanotubes de carbones: les monofeuillets et les multifeuillets dont les propriétés peuvent varier. -Les Nanotubes Monofeuillets sont constituées d’une seule feuille de graphène enroulée pour ne former qu’un seul tube creux et fermé à chaque extrémité

Figure 9 : Nanotube Mono-feuillet

Ces nanotubes sont lors de leurs synthèses assemblées de manière compacte et selon une symétrie triangulaire que l’on appelle les faisceaux de monotubes (on ne les obtient qu’avec des nanotubes monofeuillets).On peut trouver plus d’une dizaine de monotubes dans un seul faisceau dont tous ont un diamètre assez uniforme et sont espacé a peu près de même manière qu’entre les différents plan de graphène dans le graphite ce qui ne modifie aucunement les liaisons chimiques de chaque monotube. Cet arrangement n’est que périodique durant un court temps qui suit la synthèse.

Figure 10 : Faisceau de Monotubes de carbones

12

-Les Nanotubes Multifeuillets peuvent être réalisé suivant plusieurs modèles: -Le modèle dit du «parchemin» dans lequel une seule feuille de graphène est enroulées sur elle-même (voir croquis)

Figure 11 : Nanotube Multi-feuillet réalisé selon le modèle du «parchemin»

-Le modèle de la «poupée russe» ou cette fois on a plusieurs feuilles de graphènes enroulées qui s’emboitent l’une dans l’autre.

Figure 12 : Nanotubes Multi-feuillets fait de la manière «poupée russe»

13

2. Enroulement L’enroulement des nanotubes consiste très simplement à superposer deux hexagones d’une même feuille de graphène afin d’obtenir un tube creux.

Figure 13 : Enroulement des nanotubes

On fonctionne de la même manière autant pour les monofeuillets que pour les multifeuillets (qui ne sont que plusieurs ou une feuilles de graphène enroulées sur elles même).Cependant, selon le choix de ces 2 hexagones on va pouvoir déterminer le diamètre du nanotube et son hélicité (Angle en degré entre l’axe du nanotube formé et une direction de référence qui correspond à un coté d’un hexagone de la feuille de graphène).C’est cette hélicité qui va définir le type d’enroulement du nanotube obtenue. -A cause du réseau hexagonal cet angle peut aller de 0° à 30° On peut donc classer les nanotubes en différentes classes selon leur hélicité. -Les Nanotubes Créneau ou «chaise» sont ceux dont l’hélicité fait un angle de 30° -Entre 0° et 30° les nanotubes sont appelés Chiral -Enfin pour une hélicité de 0° le nanotube est dit Zigzag

Figure 14 : Les différents types d’enroulement d’un nanotube

14

-Un Nanotube est dit non Chiral lorsque les hexagones de la partie supérieure ont la même orientation que les hexagones de la partie inférieure du tube Dans le cas où les hexagones prennent une direction différente et qu’elles font entre elles un angle de 20°, on a des tubes chiraux qui forment une vis d’Archimède

Figure 15 : une vis d’Archimède (à gauche) comparée au nanotube (à droite)

3. Extrémités des Nanotubes -Après enroulement de la feuille de graphène on obtient un tube creux mais ouvert à ces deux extrémités. Il ne reste plus qu’a le fermer. Pour ce faire il faut créer des courbures dans la feuille de graphène en remplaçant certains hexagones par des pentagones comme pour les fullerènes qui créeront une courbure qui a terme permettra de fermer le nanotube.

Figure 16 : Exemple d’extrémité de nanotube

-Par exemple si la feuille de graphène est roulée selon une hélicité égale à 0°, le nanotube peut être fermé avec 2 demi-fullerènes C60 ce qui représente 12 pentagones et 20 hexagones à chaque extrémité, soit selon les lois mathématiques d’Euler le plus petit fullerène possible (il faut un minimum de 12 pentagones et 20 hexagones pour obtenir une sphère)

15

- En ajoutant une rangé d’hexagone au C60 on obtient un fullerène allongé: la molécule C70, en forme de cône, surnommé le « ballon de rugby» qui peut fermer des nanotubes Zigzag. Dans le même principe la molécule C80 (avec encore une rangée d’hexagone en plus)permet de fermer les extrémités des nanotubes chiraux.

Figure 17 : Les différents fullerènes utilisables pour les extrémités des différents types d’enroulement des nanotubes

4. Les Différentes synthèses des Nanotubes

- On connait plusieurs méthodes de synthèse des nanotubes de carbones que l’on peut diviser

en deux familles: les procédés de synthèse à haute température et d’autres à moyennes températures.

a. A- Voies de Synthèse à Haute Température

Cette première grande famille de synthèse de nanotubes consiste à faire se sublimer le graphite (la sublimation étant le fait de passer de l’état solide directement à l’état gazeux et le graphite a une température de sublimation de 3200°C) puis a le condenser dans une enceinte ou règne une forte température et une pression d’un gaz inerte (gaz rare comme l’hélium le Xénon…).C’est ce principe qui est appliqué dans les diverses méthodes de synthèses qui ne se démarquent finalement que par le procédé de sublimation du graphite. Il existe 3 procédés différents: -La Technique de l’Arc électrique créé par Krätschmer et Huffmann en 1990 et qui à l’ origine servait pour la synthèse des fullerènes est le procédé historiquement utilisé par Iijima lors de sa découverte de l’existence de nanotubes. Elle consiste à établir un arc électrique entre deux électrodes constitué de graphite. L’anode se consume et forme un plasma pouvant atteindre les 6000°C qui se condense sur la cathode en un dépôt filamenteux très dense qui contient des nanotubes. Il s’agit du procédé le plus simple et le moins couteux mais l’étude des processus se déroulant durant la synthèse est complexe ce qui rend délicat tout contrôle.

Figure 18 : Procédé de l’arc électrique de Krätschmer et Huffmann

16

-En 1992, à l’université de Houston(USA) est mise au point par le groupe de Smalley une nouvelle technique de synthèse de nanotube appelé technique par Ablation (érosion) Laser. Celle-ci consiste à bombarder une cible de graphite avec un fort laser de manière continu ou pulsé. Le graphite est ainsi sublimé en fragments constitués de quelques atomes. Ce procédé est par contre extrêmement couteux mais possède un rendement plus important et rend possible l’étude des conditions de synthèse. Il permet aussi de faire baisser la température de réaction à 1200°C.

Figure 19 : Procédé de synthèse par ablation laser

- La dernière méthode de synthèse de nanotubes par voies à hautes températures consiste à

sublimer le graphite grâce à l’énergie solaire: c’est la technique du four solaire. Pour cela il faut concentrer le rayonnement solaire sur une cible de graphite jusqu'à atteindre la température de sublimation. Cette manière de faire permet elle aussi l’étude des conditions de synthèse.

Figure 20 : Schéma du procédé du four solaire

Ces procédés de synthèse à haute température donnent des nanotubes monofeuillets ou multifeuillets de très haute qualité mais il est cependant indispensable d’associer le graphite a un catalyseur qui doit être un métal de transition tel que le nickel ou le fer afin de synthétiser des nanotubes monofeuillets sinon les nanotubes obtenus seront automatiquement multifeuillets. On peut en laboratoire produire jusqu'à un gramme de nanotubes mais il est cependant compliqué actuellement d’entreprendre une production à grande échelles avec les méthodes citées précédemment même si les développements poussent en ce sens. C’est dans ce domaine que réside d’ailleurs l’avantage des synthèses à moyenne températures.

17

b. Voies de Synthèse à Moyenne Température

Ce second type de synthèse fonctionne à moyenne température et ressemble beaucoup aux méthodes utilisés pour la synthèse des fibres de carbones. Elles consistent à décomposer un gaz à base de carbone à la surface de particules de catalyseur métalliques (également un métal de transition comme le fer, cobalt…mais qui doivent être de dimension nanométriques et c’est précisément ce qui rend complexe les voies de synthèse a moyenne température) dans un four ayant une température allant de 500°C à 1100°C selon le gaz choisi. Le carbone libéré se condense sur la surface des particules sous formes de structures cristallisées dont les nanotubes. Le gaz utilisé peut être le monoxyde de carbone ou un hydrocarbure(les hydrocarbures étant des composés organiques constitués uniquement d’atomes de carbones et d’hydrogène) comme par exemple le méthane. Pour former des nanotubes monofeuillets les particules de catalyseur sont déposés sur un support céramique (alumine…) ou sont ventilés dans la salle où a lieu la réaction.

Figure 21 : Procédé de synthétisation de nanotubes à moyenne température

Selon les conditions de synthèse (température du four ou taille des particules de catalyseurs),cette technique permet d’obtenir des nanotubes tant monofeuillets que multifeuillets mais qui présentent souvent une qualitée bien moindre que ceux obtenus par synthèse à haute température. Leurs aventages réside surtout dans les dimensions géométriques des nanotubes qui sont beaucoups plus uniformes et dans le fait que cette voie de synthèse a moyenne température rend beaucoups plus aisé une production à grande échelle et donc une industrialisation des nanotubes. En effet, grace a cette méthode on peut produire jusqu'à 10g de nanotubes bruts par jour contre seulement 1g pour les synthèses par hautes températures. Il se peut qu’il faille purifier les nanotubes par un procédé de filtration après leur synthèse.

18

5. Les Nanotubes de Nitrure de Bore

En 1994, l’école polytechnique obtient des nanotubes multifeuillets à partir de nitrure de bore. En effet le nitrure de bore (composé chimique fait d’azote et de bore) a des caractéristiques étonnamment proches du carbone : Il est également fait d’atomes disposés en réseau hexagonal et possède des formes qui ne sont pas sans rappeler le diamant et pour une autre le graphite, d’où le nom de «graphite blanc». La synthèse des nanotubes de nitrure de bore se fait par des techniques similaires aux nanotubes de carbones et leurs caractéristiques sont très semblables même si on remarque que l’enroulement se fait majoritairement sous la forme dite «zigzag». Leurs propriétés sont encore assez méconnues car leur étude vient à peine de commencer. Cependant, on leurs prévoit des propriétés plus isolantes et capable de forte émission de champs ce qui les rends plus intéressants dans la création d’écran plats.

Figure 22 : Représentation de l’organisation atomique du nitrure de bore(les deux types d’atomes sont représentés par 2 couleurs différentes)

19

C. Les Propriétés des Nanotubes de Carbones

Les nanotubes de carbones ont suscité un immense intérêt dans le monde de la recherche grâce à leurs propriétés exceptionnelles qui résultent en majorité de leur filiation avec le graphite et à cause de leurs dimensions nanométriques. Les techniques de synthèse ou de purification ont également une influence sur leurs propriétés. De plus ces propriétés varient en fonction du type de nanotube (mono ou multifeuillets, type d’enroulement…). 1. Propriétés Physiques

c. Les propriétés mécaniques

-Les nanotubes de carbones présentent une énorme résistance qui a été calculé comme étant de 100 à 200 fois supérieures à l’acier pour une masse totale 6 fois moins importante sur une surface équivalente. Certains nanotubes sont même plus durs que le diamant. Cependant malgré cette résistance, les nanotubes affichent aussi une étonnante flexibilité et peuvent se déformer très facilement. Un nanotube peut ainsi se courber jusqu'à un angle très important de 110° sans que cette déformation soit irréversible.

Figure 23 : Exemple de nanotubes déformé

d. Les propriétés thermiques

La conductivité thermique représentant le transfert d’une quantité de chaleur par unité de temps, les nanotubes sont les meilleurs conducteurs thermiques connus à ce jour.

20

e. Les propriétés électriques

- La conductivité électrique des nanotubes dépend beaucoup de la géométrie de celui-ci. En effet selon son enroulement et son diamètre, le nanotube peut être soit isolant soit un très bon conducteur voir un semi-conducteur. Ainsi les nanotubes (monofeuillets ou multifeuillets) enroulé de la manière dite «chaise» sont de très bon conducteur, ce qui peut être le cas parfois pour les nanotubes zigzag et chiraux également mais qui sont pour leur part plus souvent des isolants et semi-conducteurs que de véritables conducteurs métalliques. Les nanotubes conducteurs peuvent transporter des densités de courants exceptionnelles de l’ordre de 10^10 A/cm2. De plus les nanotubes multifeuillets a très basse température (dans les environs du 0 absolu) peuvent devenir supraconducteurs (il n’y a plus aucune résistance électrique). En temps normal les nanotubes de carbone ont des résistances de l’ordre de : -10^-3 /cm pour un monotube conducteur, -10 /cm pour un Monotube semi-conducteur, -10^4 /cm pour un Multifeuillet Les monofeuillets présentent presque toujours des caractéristiques électriques meilleures que les multifeuillets en raison de l’existence d’interaction entre les différentes feuilles de graphène constituant le nanotube (appelés interaction de Wan der Waals).

f. Les propriétés d’émission de champs

- L’émission de champs consiste à extraire des électrons d’une matière grâce à de très faibles tensions électriques appliquées perpendiculairement à la surface du matériau. Les nanotubes peuvent émettre des électrons par effet tunnels grâce à leurs pointes (il faut que la pointe soit suffisamment étroite pour réussir une émission de champs : c’est le même principe pour le paratonnerre). Malgré la très faible tension les nanotubes sont capables d’émettre d’énormes champs électriques et de déplacer les électrons à l’extérieur vers bien précis et localisé. Les émissions de champs des nanotubes sont de : -environ 10^7 A/cm2 pour les monofeuillets -de 10^6 à 10^8 A/cm2 pour les multifeuillets

g. Les propriétés optiques

-Des ingénieurs d’IBM ont il y a peu affirmés avoir réussi à faire émettre de la lumière par des nanotubes de carbones après l’avoir placé sous un courant électrique. On pense donc que les nanotubes ont des capacités d’électroluminescence. 2. Propriétés Chimiques Les propriétés chimiques des nanotubes sont tous aussi exceptionnelles. En effet il est possible de remplir des nanotubes avec des molécules de fullerènes voire avec un autre matériau cristallin. Ils peuvent être donc utilisés comme récipient appelés nanofils encapsulés une fois clos à chaque extrémité.

Figure 24 : Nanofils encapsulés contenant des atomes de tritium

21

D. Les différentes applications actuelles et potentielles

Grâce à leurs exceptionnelles propriétés, les nanotubes de carbones peuvent potentiellement avoir des applications très diverses. Dans un premier temps les nanotubes peuvent être utilisés comme lubrifiant tout comme les fullerènes grâce à leurs structures afin de réduire les frottements entre les différentes surfaces ce qui permet une usure moindre (par exemple pour les moteurs). Les nanotubes sont également l’objet de grandes recherches et on peut dès à présent créer des dispositifs dans le domaine électronique tels que des transistors ou encore des diodes à l’échelle nanométrique grâce à leurs propriétés électrique et à leur stabilité. Ce sont d’ailleurs ces différentes expériences qui ont permis de révéler le fait que leur conduction variait selon l’enroulement du nanotube et, par conséquent une relation hélicité/conduction électrique. Ses caractéristiques mécaniques font que le nanotube est le matériau le plus résistant (6 fois plus que l’acier) ce qui laisse entrevoir une utilisation de renforcement comme matériau composite. Ainsi, on peut trouver des nanotubes dans les carrosseries de la plupart de nos nouvelles automobiles ou encore dans les pneumatiques de la plupart de nos manufacturiers.

Figure 25 : Comparaison de la résistance des différents matériaux avec de gauche à droite : les nanotubes, fibres de carbones, Kevlar et acier

On pense aussi que les nanotubes de carbones pourront représenter dans un avenir proche(dans les années 2010-2015) le renouveau des fils conducteurs. En effet tout les semiconducteur utilisés aujourd’hui comme notamment le silicium, finiront par atteindre leurs limites physiques (fatalité de la loi de Moore) et il sera alors impossible de les améliorer. On fixe leurs limites de dévellopements dans les dispositifs électroniques d’ici a 2020 environ. L’espoir se porte donc actuellement sur ces nanomatériau aux caractéristiques interressantes qui font l’objet de grandes études. On peut voir ici un transistor fait a base de nanotubes de carbones.

Figure 26: Nano-Transistor

22

Les nanotubes comme dit précédemment sont capables d’émettre des électrons lorsqu’ils sont soumis à une tension électrique ce qui les rends intéressant pour concevoir les nouveaux écrans plats et les nouveaux microscopes.

Figure 27 : Emission d’électrons d’un nanotube unique sur un écran

Figure 27bis : l’un des premiers écrans en couleur à base de nanotubes de carbones datant de 2005 et appelé Carbone Nanotube TV (CNT TV)

On peut trouver des nanotubes dans les plaques photovoltaïques car ils permettent d’augmenter le rendement énergétique. Les cellules Photovoltaïques sont normalement constitué de semi-conducteur comme le silicium qui sont soumis à un effet photoélectrique (celui-ci étant une émission d'électrons par un matériau soumis à de la lumière) pour produire du courant électrique. Des nanotubes placés sur des feuilles de Graphènes peuvent remplacer les plaques de silicium superposés qui constituent la cellule habituelle.

Figure 28 : Plaque photovoltaïque

23

On a récemment réussi a utiliser les nanotubes de carbones comme démodulateur, c'est-àdire récepteur d’une onde radio. L’utilisation des nanotubes permet en effet de capter l’onde utile a très haute vitesse pour une très faible consommation d’énergie. Des chercheurs du laboratoire de physique de la matière condensée et nanostructures et de l’Institut des nanotechnologies de Lyon sont parvenus réaliser un tel dispositif qui est composé d’un nanotube unique.

Figure 29 : Un Nano-démodulateur

24

La médecine s’intéresse également beaucoup à ces nanotubes qui peuvent être utilisés comme des « transporteurs » de médicaments dans l’organisme ou pour pister plus facilement des maladies tels que les cancers et tumeurs. On peut par exemple grâce aux nanofils encapsulés transporter des médicaments pour qu’ils se fixent sur la cellule malade et qu’elle interagisse avec pour soigner la maladie. Les docteurs Steven Curley et John Kanzius, professeurs en cancérologie au M. D. Anderson Cancer Center de l'Université de Houston, au Texas, ont découverts la possibilité soigner un cancer à l’aide de nanotubes. Cette technique est appelée ablation par radiofréquence, et consiste, à injecter des nanotubes dans les tissus d’une cellule cancéreuse et d’exposer l’organisme durant deux minutes à des ondes radioactives. Les nanotubes vont ainsi s’échauffer et les cellules cancéreuses vont thermiquement se détruire. A titre indicatif, les ondes radioactives ne sont nullement nuisibles à la santé. Le professeur ingénieur de l’université du Delaware, Balaji Panchapakesan, à également découvert un principe appelé nanobombe, consistant à injecter des capsules thérapeutiques dans l’organisme. Ces dernières détruisent les vaisseaux sanguins irriguant la tumeur, suite à la chaleur provoquée par le rayonnement d’un laser. Autre point aussi intéressant : en 1994 le docteur Stéphane Woerly a l’université de Laval au Québec a réussi à reconstruire des connexions neuronales sur des animaux grâce à des nanotubes qui permettaient une reconstruction partielle de la moelle épinière. Ces tests n’ont pas encore été appliqués sur l’Homme. Une autre étude propose d’utiliser un échafaudage en nanotubes de carbone, ainsi de véritables ponts entre les nerfs permettraient de réparer des connexions de diamètre très réduit et d’être utilisé dans la régénération de certaines zones du cerveau.

Figure 30 : Combustion d’une plaque de nanotube par la chaleur provoquée par le faisceau lumineux d’un laser

25

Toujours en médecine mais cette fois dans une vision un peu plus futuriste, des recherches ont lieux actuellement dans l’intention de créer des membres artificiels à base de nanotube de carbone. Le Prototype réalisé à l’université de Texas à Dallas aux Etats-Unis est capable de se contracter et de se détendre mille fois par seconde soit 4000 fois plus vite que le muscle humain normal. Les nanotubes de carbones sont utilisés sous forme d’aérogel (Un aérogel est semblable à un gel qui est un solide qui a la particularité d’isoler thermiquement) disposés en longs ruban. Lors de l’application d’un courant électrique les rubans se repoussent les uns les autres et le muscle se distend comme un véritable muscle jusqu'à 3 fois sa largeur d’origine. Cette idée ne peut cependant pas aboutir actuellement car l’industrialisation des nanotubes doit évoluer pour produire des nanotubes à si grande échelle. C’est de cette idée de muscle artificiel que nait la plupart des interrogations éthiques portant sur les Nanotechnologies et qui se demande si l’Homme a réellement besoin de ces nouvelles technologies qui sont capables désormais d’améliorer l’Homme lui-même.

Figure 31 : Bras artificiel (image non réelle)

26

II. Les Dangers des Nanotubes de carbone

A. Les risques sur la santé

Au jour d’aujourd’hui, nous avons très peu de connaissances quant à la toxicité des nanotubes sur l’homme. La plupart des études réalisées ont été faites sur des cellules ou sur des animaux. Néanmoins, des chercheurs ont prouvés que la pollution de l’atmosphère était due aux particules ultrafines contenues dans les moteurs diesel permettant de filtrer les gaz polluants.

1.

Contact avec les nanoparticules

Les nanoparticules sont un assemblage de milliers d'atomes, formant les nanotubes. Le danger pour la santé de l’homme et des espèces est associé à la possible pénétration, dans l’organisme, de particules à échelle nanométrique. Les particules ultrafines ont été étudiées à l’aide de tests in vitro et in vivo chez l’homme et l’animal. Ces études ont mis en évidence des effets toxiques susceptibles de se traduire par des pathologies respiratoires (asthme) et des troubles cardiovasculaires. En ce qui concerne les nanoparticules manufacturées (fabriquées, transportées), le recul est moins important que pour les ultrafines qui peuvent néanmoins servir de référence. Le contact avec ces nanoparticules peut se faire de différentes façons : De façon directe : à partir de nanoparticules contenues dans les cosmétiques De façon indirecte : Par libération de nanoparticules, présentes dans les nanotubes.

Figure 32: Nombre de nanoparticules en fonction de la zone

Sur ce diagramme, on observe que la majorité des nanotubes présents dans l’atmosphère se trouvent dans les lieux de forte densité. Tandis que dans les zones de campagne in y a 10 fois moins de nanotubes.

27

Pénétration dans l’organisme Les nanoparticules d’une taille d’1µm peuvent pénétrer dans l’organisme par trois voies : cutanée, respiratoire et digestive. La voie respiratoire est la principale voie de pénétration des nanoparticules dans l’organisme. Chez l’individu pratiquant une activité physique ou qui a des maladies pulmonaires graves (asthme ou bronchite), la pénétration de ces particules sera beaucoup plus importante. Une fois inhalées, ces particules peuvent soit être exhalées, soit se déposer dans les différentes régions de la voie respiratoire (les fosses nasales, la bouche, le pharynx et le larynx) et dans les alvéoles pulmonaires. Le taux de dépôt est variable dans l’ensemble des voies respiratoires: il varie considérablement en fonction du diamètre ainsi que du comportement dans l’air des nanoparticules. Les particules de diamètre compris entre 10 et 100 nm se déposent en majorité dans les alvéoles pulmonaires. Quant à celles de 1 à 10 nm, les particules plus petites, elles se déposent dans la région trachéo-bronchique.

Figure 33: Dépôt de nano-objets chez l’homme, selon le diamètre des particules absorbées

Ce graphique nous fait comprendre que nes nanotubes ayant un diamètre de 1 nm se déposent de 80 a 100 % dans l’organisme, en particulier dans les régions thoraciques. Quant aux nanotubes ayant un plus grand diamètre (25 à 50 nm) se déposent a 50 % dans l’organisme, dans la région de la trachée et des alvéoles.

28

2. Effets sur la santé La nocivité des nanotubes dépend en partie de la quantité présente dans l’arbre respiratoire, mais également de la capacité de la voie respiratoire à les éliminer partiellement ou totalement. Deux procédés sont engagés : L’élimination physique : Ce procédé consiste à transporter les nano-objets peu solubles vers un autre emplacement de l’organisme : la bouche et le nez. L’élimination par la chimie : Ce procédé consiste à dissoudre les nanotubes dans les fluides biologiques (sang lymphe). Ce mécanisme d’élimination se produit dans les régions du système respiratoire.

Figure 34 : Effets biologiques des nanotubes inhalés

On observe, sur ce schéma que les nanotubes inhalées se dirigent vers trois parties de l’organisme : sanguine, pulmonaire et neurologique. Les particules créent ensuite des inflamations, la coagulation du dang, et enfin des effets cardiovasculaires.

29

B. Les risques sur l’environnement

Aujourd’hui, les connaissances sur le comportement des nanomatériaux dans l’environnement sont encore très méconnues.

1. Tests de nuisibilité Comme tout autre matériau, les nanotubes doivent avoir effectué différentes expériences afin de s’assurer qu’ils ne sont pas dangereux pour l’environnement. On a donc dû analyser leur cycle de vie, pour vérifier que les produits non recyclables ne soient pas nocifs.

Figure 35 : Différentes migrations des nanotubes dans l’environnement

D’après ce schéma, la population est contaminée indirectement par les nanotubes présents dans les aliments, l’eau, l’oxygène. Quant aux fabricants, eux sont exposés directement, suite à la production des nanotubes et à leur transport.

30

2. Déplacement dans l’eau

Il à été démontré que les nano-objets étant introduits dans l’eau suite à une manipulation accidentelle ou après un transport par voie atmosphérique, peuvent se déplacer dans ce milieu. Les nanotubes présents dans l’eau ont un impact sur l’homme Les expériences réalisées ont conclu que dans les conditions le nanotube de fullerène C60 peut s’associer avec d’autres substances hétérogènes, ce qui limiterait la distance qu’ils pourraient parcourir.

3. Dispersions dans l’environnement

Les chercheurs en savent très peu sur les effets des nano-objets sur l’environnement. Sur l’étude de leur dispersion dans la nature, quelques programmes de recherche sont en cours. Par contre, des chercheurs ont affirmés qu’une fois libérées dans l’atmosphère, les nano-objets peuvent franchir d’extrêmes longues distances avant de retomber sur terre. La pollution du sol est très méconnue. Cependant, il a été démontré que le fullerène sous forme de nanotube est la substance nanométrique la moins mobile testée.

31

C. Interrogations éthiques

1.

A-t-on vraiment besoin des nanotechnologies ?

Depuis toujours, l’Homme cherche à réduire la taille des objets présents sur terre. • D’une part, elles peuvent apporter des solutions qui marqueront le début du XXIème siècle, dans le domaine de la médecine. En effet, l’apparition de nanotechnologies permet le traitement contre des cancers (les nanotubes peuvent détruire les cellules cancéreuses par ondes radio). Mais, son utilisation reste limitée dans les pays développés, suite au fort coût de fabrication. • D’autre part, les nanotubes peuvent être une méthode intéressante pour redresser l’industrie, grâce à un accès dans des domaines très ouverts. Ceci s’avère être très encouragent pour relever l’économie ainsi que pour la création de nouveaux emplois.

Figure 36 : Utilisation future des nanotechnologies, dans différents domaines.

D’après ce diagramme, on observe que ¼ des nanotubes sont utilisés dans le domaine aéronautique (matériaux composites). Un autre quart est utilisé dans les industries diverses. L’autre moitié est principalement utilisé dans les industries intellectuelles (ingénieurie, chimie)

32

2. Tout humain est craintif face à l’inconnu

Aujourd’hui, les grands secteurs de production, tels que l’électronique, le textile, la médecine sont touchés par cette nouvelle technologie. Citons le groupe automobile DaimlerBenz qui vend des véhicules équipés de pièces de moteur en nanotubes de carbone, qui ont une résistance de l’ordre de 100 fois plus importante que l’acier et six fois plus léger que ce même matériau de référence. Par ailleurs, l’entreprise informatique IBM produit des transistors de l’ordre de 10-5 µm. La plupart des citoyens ne savent pas exactement ce que signifie le terme de nanotechnologies. On pourrait accuser l’Etat pour cause d’un manque d’informations, tant sur les recherches déjà effectuées, que sur les risques des nanotubes.

Figure 37 : Le nano-hasard : La peur face à l'inconnu selon certains chercheurs du monde

Certains chercheurs du monde ont réalisé des pictogrammes qui, selon eux permettent de montrer leur crainte des nanotubes.

33

D. Risques économiques

Depuis le développement des nano-objets, de nombreux capitaux ont été attirés. Mais, les recherches sont très onéreuses. Selon le rapport d’ETC Group (entreprise Canadienne sur la recherche des nanotechnologies), la recherche des nanotubes étant très couteuse, leur apparition dans le domaine médical serait un luxe. C’est pour cela qu’un équilibre entre les budgets doit être trouvé rapidement. En effet, les gouvernements préfèrent aider la recherche plutôt que la population victime de la pauvreté. Et c’est peut-être le point le plus important pour l’avenir : les nanotubes et plus généralement les nanotechnologies pourraient à terme constituer une si grande avancée dans les domaines technologiques et scientifiques que l’on pourrait assister à une équivalence moderne des révolutions industrielles du XIXème siècle si un équilibre n’est pas trouvé. A titre indicatif, uniquement dans le domaine médical, le coût des recherches consacrées aux nanotubes s’élève à ce jour à 53 milliards de dollars. Cette somme va doubler en 2016. En temps de Crise économique mondiale, tout cela parait pure folie. En effet, l’apparition de nanotechnologies créerait également une encore plus grande inégalité Nord/Sud. Qui aidera les pays moins développés à profiter de ces nouvelles technologies? Les nanotechnologies ne seraient donc disponibles que dans les pays riches ? Toutefois ces nanomatériaux pourraient aussi à l’inverse constituer un facteur de croissance économique lié à toutes nouvelles technologies car de par la diversité de ses utilisations elles seraient un bon moyen pour créer des postes…ou en supprimer car les nanotechnologies pourraient aussi rendre la main de l’homme moins utile dans une société encore plus industrialisé. Tout cela, seul l’avenir nous le dira.

34

Conclusion

En définitive, les nanotechnologies ont révolutionnées le début du XXIème siècle. Depuis leurs sorties des laboratoires les cinq dernières années, elles se sont installées dans différents ustensiles utilisés dans la vie courante et font encore l’objet d’une recherche incessante et de plus en plus couteuse. Leurs diversité d’utilisation est immense mais les récentes recherches ont mis en avant les risques liés à ces nanoparticules. C’est pour cela que l’Agence française de sécurité de l’environnement et du travail, en collaboration avec les députés français, dans un récent avis, ont rendus obligatoire le suivi des nano-objets. Les Nanotechnologies ont donc bien apporté un véritable renouveau à la science du XXIème siècle mais ont également apporté avec eux de nouveaux risques et également une nouvelle peur face à l’avenir. Faut-il conserver une approche prudente et autoriser petit à petit les nanotechnologies ou faut-il investir en prenant le risque de voir arriver une catastrophe mondiale liée à leurs mauvaises utilisations ?

35

Bibliographie

• Figures Page de garde : http://popsci.typepad.com/photos/uncategorized/2007/11/02/nanotube.jpg Introduction : http://www.onera.fr/conferences/nanotubes/images/trans113.jpg Figure 1 : http://schools-wikipedia.org/images/254/25405.png Figure 2 : http://philippe.boeuf.pagesperso-orange.fr/robert/images/graphite-struct.gif Figure 3 : http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/22/Diamond_Cubic-F_lattice_animation.gif Figure 4 : http://dev.emcelettronica.com/files/u9973/figure2.jpg Figure 5 : http://www.condmat.physics.manchester.ac.uk/images/pictures/graphene%20crumpled.jpg Figure 6 : http://www.bioenergiecenter.com/IMG/png/210px-Fullerene-C60.png Figure 7 : http://web.me.com/rouxjeanbernard/Site/AM/gif/ballon.GIF Figure 8 : http://jnm.snmjournals.org/content/vol48/issue7/images/large/1039fig1.jpeg Figure 9 : http://homepage.mac.com/jhgowen/research/nanotube_page/nanotube.jpg Figure 10 : Figure 11 : http://data0.eklablog.fr/tpe-nanotech/mod_html35007_6.png?756 Figure 12 : http://www.onera.fr/conferences/nanotubes/images/Iijima2nettoye.gif

http://www.onera.fr/conferences/nanotubes/images/trans111.jpg

Figure 13 : http://www.informaworld.com/ampp/image?path=/713172968/713557329/F0001.png Figure 14 : http://www.seas.upenn.edu/mse/images/nanotube1.jpg

http://www.onera.fr/coupdezoom/images/19-helicite.gif

Figure 15 : http://edumediashare.com/uploaded/800/819.gif Figure 16 : Figure 17 : Figure 18 : http://www.onera.fr/conferences/nanotubes/images/trans251.gif Figure 19 : http://www.onera.fr/conferences/nanotubes/images/trans272.gif Figure 20 : http://www.onera.fr/conferences/nanotubes/images/trans253.gif Figure 21 : http://www.onera.fr/conferences/nanotubes/images/synthesemoyennetemp.jpg Figure 22: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a6/Boron-nitride-%28hexagonal%29-top-3Dballs.png http://nanotechinkorea.free.fr/english/nanotube/image%2011.gif http://nanotechinkorea.free.fr/english/nanotube/image%2013.gif http://www.morpheus.fr/local/cache-vignettes/L334xH287/NANOTUBEfab-f1460.jpg

Figure 23 : http://www.azonano.com/work/B4WYJ4O125rZe5ue0n99_files/image003.gif Figure 24 : http://www.onera.fr/conferences/nanotubes/images/trans372a.gif Figure 25 : http://www.onera.fr/conferences/nanotubes/images/trans411.gif Figure 26 : http://www.manep.ch/img/photo/challenges/nanotubes/nanotube.jpg Figure 27 : http://www.planete-urgence.org/image-article/1602/au-cameroun-l-energie-solaire-ouvre-deFigure 28 : Figure 29 : Figure 30 : http://www.inrs.fr/INRS-PUB/inrs01.nsf/inrs01_catalog_view_view/4 Figure 31 : http://www.epe-asso.org/even/8-%20EpE%20-%20%20Risque%20santE%20A%20Lombard.pdf Figure 32 : http://www.internetactu.net/2009/10/08/nanotechnologies-le-point-de-vue-environnemental/ Figure 33 : http://cdn.physorg.com/newman/gfx/news/2005/Panchapakesan-NanoBomb-03lg.jpg Figure 34 : http://www.studyramagrandesecoles.com/fiche_graphique.php?Id=9603 Figure 34 : http://moneydick.com/wordpress/wp-content/nanohazard_etc_group-20070929-131526.jpg Conclusion : http://s2.e-monsite.com/2010/02/03/05/nanotechnologie-spl99.jpg

nouvelles-perspectives.jpg http://www.ubergizmo.com/photos/2009/7/darth-robotic-arm.jpg http://www.inrs.fr/INRS-PUB/inrs01.nsf/inrs01_catalog_view_view/4

36

• Textes Partie 1 : -http://1libertaire.free.fr/nanos01.html

-http://nanomonde.minatec.inpg.fr/spip.php?article26 -http://membres.multimania.fr/gbister/Nanotubes/Nanotubes.htm -http://fr.wikipedia.org/wiki/Nanotube_de_carbone -http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/matiere-1/d/nanotube-de-carbone_3868/ -http://www.universalis.fr/encyclopedie/fullerenes/ -http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/matiere-1/d/fullerene_3871/ -http://fr.wikipedia.org/wiki/Fuller%C3%A8ne -http://fr.wikipedia.org/wiki/Graph%C3%A8ne -http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/chimie-2/d/graphene_4713/ -http://fr.wikipedia.org/wiki/Graphite -http://fr.wikipedia.org/wiki/Diamant -http://www.inrs.fr/dossiers/nanomateriaux.html -http://www.mssmat.ecp.fr/Les-differentes-structures,1081 -http://www.onera.fr/conferences/nanotubes/ -http://v-nouvelles.virtualyx.com/index.php?/archives/33-Nanotubes-de-carbone.html -http://www.inrs.fr/inrs-pub/inrs01.nsf/intranetobjectaccesparreference/ND%202286/$file/nd2286.pdf -http://www.lefigaro.fr/sciences/2008/05/22/01008-20080522ARTFIG00349-les-nanotubesdecarbone-aussi-nocifs-que-l-amiante.php -http://www.onera.fr/synindex/nanotubes-de-nitrure-de-bore.html -http://www.onera.fr/coupdezoom/19-nanotubes.php -http://www-lpmcn.univlyon1.fr/pnec/index.php?option=com_content&view=article&id=18&Itemid=42&lang=fr -http://www.jmtour.com/images/Nanotubes/NanotubeFunctionalizationLiBottomStyreneTop.jpg -http://www.silicon.fr/rd-seagate-cree-le-disque-dur-nanotube-16872.html -http://www.ambafrance-uk.org/Des-capteurs-a-base-de-nanotubes.html - http://www-lpmcn.univlyon1.fr/pnec/index.php?option=com_content&view=article&id=54&Itemid=68&lang=fr

Partie 2 : -http://www.inrs.fr/INRS-PUB/inrs01.nsf/inrs01_catalog_view_view/4

-http://www.sciences-et-democratie.net/dossiers-et-debats/les-nanotechnologies -http://nanotechnologie-1s4.e-monsite.com/rubrique,les-risques,506030.html -http://alltrends.over-blog.net/article-26605325-6.html -http://www.azonano.com/default.asp -http://www.inrs.fr/inrs-pub/inrs01.nsf/IntranetObject-accesParReference/INRS-FR/$FILE/fset.html -http://lumiweb.org/fr/textes/dans_le_nanomonde_tout_est_petit_sauf__les_risques_7Uq.php -http://lastre.asso.fr/saint-pierre/stpierre_fichiers/Nanotubes.pdf -http://www.sfmag.net/article.php3?id_article=2732 -http://www.developpementdurablelejournal.com/spip.php?article6982 -http://www.science.gouv.fr/fr/actualites/bdd/res/2488/nanotubes-de-carbone-quelle-toxicite-pour-lenvironnement-et-la-sante-/ -http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/les-nanotubes-de-carbone-sont-ils-aussidangereux-que-lamiante_15593-1/

37