Nouvelles structures de nanotubes de carbone avec des matériaux hybrides qui modifient leurs propriétés remarquables

Les nanomatériaux à base de carbone, tels que les nanotubes de carbone (NTC), les fullerènes et le graphène, suscitent un vif intérêt en raison de leurs propriétés physiques uniques. Une nouvelle étude explore le potentiel des nanostructures hybrides et présente une nouvelle structure hybride poreuse de graphène et de NTC dotée de propriétés thermiques et mécaniques remarquables.

Cette étude montre comment les propriétés importantes des nouvelles hétérostructures graphène-CNT peuvent être modifiées en changeant légèrement l'agencement géométrique intrinsèque du CNT et du graphène ainsi que divers matériaux de remplissage.

La capacité à contrôler avec précision la conductivité thermique et la résistance mécanique des structures hybrides graphène-nanotubes de carbone en fait un candidat potentiellement adapté à diverses applications, notamment dans la fabrication aérospatiale de pointe où le poids et la résistance sont essentiels.

Nanostructures de carbone : nanotubes de carbone, graphène, fullerènes

Les nanostructures de carbone et les mélanges de plusieurs nanostructures de carbone ont récemment été étudiés comme candidats potentiels pour de nombreuses applications dans les domaines de la détection, du photovoltaïque, des agents antibactériens, du stockage d'énergie, des piles à combustible et de l'amélioration de l'environnement.

Les nanostructures à base de carbone les plus étudiées sont les nanotubes de carbone, le graphène et les fullerènes. De par leur taille extrêmement réduite, ces structures présentent des propriétés thermiques, mécaniques, électroniques et biologiques uniques.

Les structures mesurées à l'échelle subnanométrique fonctionnent selon les lois particulières de la physique quantique, ce qui permet d'exploiter des phénomènes non intuitifs tels que l'effet tunnel quantique, la superposition quantique et l'intrication quantique.

Les nanotubes de carbone sont des tubes de carbone d'un diamètre de quelques nanomètres seulement. Ils présentent une conductivité électrique remarquable et certains sont des matériaux semi-conducteurs.

Grâce à leur nanostructure et à la force des liaisons covalentes formées entre les atomes de carbone, les nanotubes de carbone possèdent également une résistance à la traction et une conductivité thermique élevées.

Les nanotubes de carbone sont des matériaux potentiellement précieux pour l'électronique, l'optique et les composites, et pourraient remplacer les fibres de carbone dans les prochaines années. Les nanotechnologies et la science des matériaux utilisent également les nanotubes de carbone dans leurs recherches.

Le graphène est un isomère du carbone constitué d'une seule couche d'atomes de carbone agencés en une structure cristalline bidimensionnelle composée d'hexagones. En 2004, Andrew Geim et Konstantin Novoselov, de l'université de Manchester au Royaume-Uni, ont réussi à isoler le graphène pour la première fois grâce à une série d'expériences pionnières qui leur ont valu le prix Nobel de physique en 2010.

Au cours des décennies qui ont suivi, le graphène est devenu un nanomatériau utile, doté d'une résistance à la traction, d'une transparence et d'une conductivité électrique extrêmement élevées, pour une gamme d'applications vaste et diversifiée dans l'électronique, la détection et d'autres technologies de pointe.

L'iléréne est un autre isomère du carbone connu depuis un certain temps. Sa molécule est constituée d'atomes de carbone liés par des liaisons simples et doubles, formant un réseau qui peut être fermé ou semi-fermé. Ce réseau est fusionné à un cycle de cinq, six ou sept atomes.

Les molécules de fullerène peuvent être des sphères creuses, des ellipsoïdes, des tubes ou présenter de nombreuses autres formes et tailles. Le graphène peut être considéré comme un membre extrême de la famille des fullerènes, bien qu'il soit considéré comme appartenant à une classe de matériaux à part.

nanostructures hybrides

Outre les recherches approfondies menées pour comprendre et caractériser individuellement ces nanostructures de carbone, les scientifiques explorent également les propriétés des nanostructures hybrides qui combinent deux ou plusieurs éléments nanostructurés en un seul matériau.

Par exemple,les moussespossèdent des propriétés ajustables qui les rendent adaptées à des applications pratiques telles que la conception de structures sandwich, de conceptions biocompatibles et de structures à haute résistance et à faible poids.

Les nanomousses à base de carbone ont également été utilisées en médecine pour examiner les lésions osseuses et comme base pour le remplacement du tissu osseux.

Les structures en nid d'abeille à base de carbone sont produites par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et par traitement en solution. Le frittage par plasma étincelle (SPS) a également été utilisé pour exploiter le graphène dans des applications biologiques et médicales.

Les scientifiques s'efforcent donc de trouver des moyens de stabiliser les structures tridimensionnelles en mousse de carbone. Leurs recherches ont montré que la formation de liaisons stables entre différents types de structures (nanotubes de carbone, fullerènes et graphène) est nécessaire pour conférer à ce matériau une stabilité suffisante pour un large éventail d'applications.

Nouvelles recherches sur les nanostructures hybrides

De nouvelles recherches menées par des ingénieurs mécaniciens de l'Université technique d'Istanbul, en Turquie, présentent un nouveau type de nanostructure hybride formée par liaison chimique.

Les structures de graphène poreuses à base de nanotubes de carbone sont obtenues en organisant du graphène autour de nanotubes de carbone sous forme de nanorubans. Les différentes configurations géométriques des couches de nanorubans de graphène autour des nanotubes de carbone (motifs carrés, hexagonaux et losanges) induisent des propriétés physiques distinctes, suggérant que ce réarrangement géométrique peut être utilisé pour optimiser les nouvelles structures.

Les chercheurs ont constaté, par exemple, que les structures intégrant des fullerènes présentaient une stabilité et une résistance à la compression importantes sans que leur résistance à la traction ne soit compromise. L'agencement géométrique des nanostructures de carbone influençait également de manière significative leurs propriétés thermiques.

Les chercheurs affirment que ces nouvelles nanostructures hybrides présentent des avantages importants, notamment pour l'industrie aérospatiale. Ces nanostructures pourraient également servir au stockage de l'hydrogène et à la nanoélectronique.