thumb|Représentation d'un nanotube de carbone. (cliquer pour voir l'animation tridimensionnelle). thumb|Un nanotube de carbone monofeuillet. thumb|Extrémité d'un nanotube, vue au microscope électronique.
Les nanotubes de carbone (en anglais, ou CNT) sont une forme allotropique du carbone appartenant à la famille des fullerènes.. Ils sont composés d'un ou plusieurs feuillets d'atomes de carbone enroulés sur eux-mêmes formant un tube. Ce tube peut être fermé ou non à ses extrémités par une demi-sphère. On distingue les nanotubes de carbone simple-feuillet (SWNT ou SWCNT, pour ) Kiang, C.-H., Goddard Iii, W. A., Beyers, R. et Bethune, D. S. (1996). . Dans M. Endo, S. Iijima & M. S. Dresselhaus (dir.), (). Oxford: Pergamon. et multi-feuillets (MWNT ou MWCNT, pour )
La conductivité électrique et thermique des nanotubes de carbone, ainsi que leur résistance mécanique sont remarquablement élevées dans leur sens longitudinal. Bien que très couteux et susceptibles de causer des problèmes toxicologiques et écotoxicologiques, ils font partie des produits issus des nanotechnologies actuellement testés ou commercialisés dans certains domaines de pointe et sportifs.
Découverte En 2006, un éditorial de Marc Monthioux et Vladimir Kuznetsov du journal a décrit l'intéressante et pourtant méconnue origine des nanotubes de carbone. Une très grande partie des revues de toute nature attribuent, à tort, la découverte de tubes nanométriques composés de feuillets de graphite à Sumio Iijima (NEC) en 1991... Bien que ses publications aient marqué le point de départ de l'intérêt pour ces structures, Sumio Iijima n'a pas été le premier à observer un nanotube de carbone (voir plus bas) ; quant au premier à en avoir créé, il demeure inconnu. En effet, dès la découverte du feu il y a environ , il s'en produisait déjà (en infime quantité) dans la suie des foyers, où, fractionnées sous l’effet de la chaleur, les molécules de carbone voient leurs atomes se recombiner d'innombrables façons, donnant naissance tantôt à de minuscules gouttes amorphes, tantôt à des nanostructures géodésiques..
La première observation de nanotubes daterait de 1952, année où L. V. Radushkevich et V. M. Lukyanovich ont publié des images claires de tubes de carbone d'environ cinquante nanomètres de diamètre dans le . (soviétique). Cette découverte ne s'est pas répandue, l'article étant publié en russe, les scientifiques de l'ouest n'ayant plus, à cause de la guerre froide, un accès que restreint aux publications de l'Académie des sciences d'URSS car elles n'étaient plus traduites en anglaisArticle paru le dans la revue Expert (Moscou), propos de Alexeï Kojevnikov, historien des sciences, recueillis par Vitali Saraev, trad. Courrier international du : ..
Des nanotubes de carbone furent produits sous différentes conditions avant cette date, mais c'est l'invention du microscope électronique en transmission (MET) qui a permis leur visualisation directe. En 1976, Oberlin, Endo et Koyama montrent qu'obtenues par , elles sont creuses (). (voir plus bas) ; et ils montrent une image en d'un nanotube constitué d'une seule paroi. Plus tard, Endo a considéré que cette image était celle d'un nanotube monofeuillet..
En 1979, John Abrahamson présenta des preuves de l'existence des nanotubes de carbone à la biennale du Carbone de l'université d'État de Pennsylvanie. Les nanotubes de carbone y furent décrits comme des fibres de carbone produites sur une anode de carbone après formation d'un arc électrique. Les caractéristiques de ces fibres étaient données, ainsi que des hypothèses sur leur croissance en milieu azoté à basse pression..
En 1981, des scientifiques soviétiques caractérisent la chimie et la structure de nanoparticules de carbone produites par dismutation thermo-catalytique de monoxyde de carbone. En utilisant des images et aux rayons X, ils suggérent que leurs « cristaux tubulaires multi-couche de carbone » s'étaient formés par enroulement de couches de graphène en cylindres. Ils supposent que durant cet enroulement, deux dispositions du réseau hexagonal du graphène étaient possibles : l'une circulaire (nanotubes de type « fauteuil ») et l'autre en spirale (nanotubes chiraux) , , 1982, 3, ..
En 1993, Sumio Iijima et Donald S. Bethune d'IBM en Californie réussissent, indépendamment, à synthétiser des nanotubes monofeuillets.. ; Iijima les obtient en phase gazeuse, et Bethune par une technique de covaporisation de carbone et de cobalt.
Structure thumb|Imagerie Sarfus d'un « fagot de nanotubes double paroi ». Il existe deux types de nanotubes de carbone : les nanotubes de carbone monofeuillets, (en anglais , SWNT ou SWCNT) ; les nanotubes de carbone multifeuillets, (, MWNT ou MWCNT). On parle aussi de nanotubes de carbone double-feuillets (, DWNT ou DWCNT) aux propriétés à mi-chemin entre les deux types précédents.
Un SWNT non supporté a un diamètre compris entre 0,44. et . pour une longueur variable, pouvant aller jusqu'à plusieurs micromètres.
Nanotubes de carbone monofeuillets (SWNT, ) La structure d'un nanotube de carbone monofeuillet peut être représentée par un feuillet de graphène enroulé sur lui-même et fermé ou non à ses deux extrémités par une demi-sphère. La façon dont le feuillet de graphène est replié sur lui-même définit un paramètre, appelé chiralité, qui fixe la structure du nanotube. La chiralité permet de caractériser les différents types de nanotubes existants.
Enroulement thumb|300px|Structure de type nid d'abeille du graphène. Soient a et a deux vecteurs directeurs du système cristallin. On définit m et n, deux entiers, tels que le vecteur de chiralité C, axe selon lequel s'enroule le nanotube, soit .
Le nanotube monofeuillet peut être modélisé par l'enroulement d'une feuille de graphène sur elle-même. Cette feuille de graphène a une structure de type nid d'abeille, dont on peut donner deux vecteurs directeurs, a et a. On définit ensuite le vecteur de chiralité, C, axe selon lequel le graphène s'enroule pour former le nanotube. Ce vecteur peut donc être décomposé en deux composantes, selon les vecteurs a et a. Soient m et n les scalaires tels que .
Selon la valeur de ces deux scalaires, trois types d'enroulements, donc trois types de nanotubes peuvent être décrits : si m = 0, le nanotube a une structure de type « zig-zag » ; si m = n, le nanotube a une structure de type « chaise » ; dans tous les autres cas, le nanotube est « chiral ».
Ces différences de chiralité donneront aux nanotubes de carbone des propriétés différentes. Notamment, en ce qui concerne les propriétés électriques. Un nanotube de carbone de type « chaise » possède un comportement électrique métallique par exemple. D'autres chiralités ont des comportements semi-conducteurs...
Extrémités Le nanotube ouvert à ses deux extrémités peut être fermé, en ajoutant un défaut contrôlé de courbure dans le plan de graphène : des pentagones introduisant une courbure de 112° dans le feuillet ; les lois mathématiques d'Euler montrent qu'il faut un minimum de douze pentagones pour fermer le feuillet (soit six pentagones à chaque extrémité du tube). Les études montrent que la molécule de contient justement douze pentagones et vingt hexagones : il s'agit donc du plus petit fullerène possible. Cependant, alors qu'une distribution théorique régulière de ces pentagones donne une forme hémisphérique, on observe le plus souvent une pointe de forme conique.
Nanotubes de carbone multifeuillets (MWNT, ) thumb|MWNT vu en HRTEM. Il existe deux modèles pour décrire la structure des nanotubes multi-feuillets : le modèle poupée russe : les plans de graphène sont arrangés en cylindres concentriques ; le modèle parchemin : un seul feuillet de graphène est enroulé sur lui-même, comme une feuille de papier. La distance de feuillet à feuillet est de ..
Défauts Comme dans de nombreux matériaux, l'existence de défauts affecte ses propriétés. Certains sont présents dans la géométrie du plan de graphène : vides atomiques (atomes manquant dans la structure du graphène). De tels défauts peuvent affecter la résistance physique des nanotubes (dans les cas limites la faire baisser de 15 % .) ; : au lieu de former des hexagones, les atomes de carbone se réarrangent en pentagones ou en heptagones. D'autres existent dans la structure du nanotube et se manifestent par la présence de tubes tordus, cassés ou de parois incomplètes.
Ces défauts de structure affectent les propriétés mécaniques, thermiques,optique et/ou électriques des nanotubes. Ils peuvent être mis en évidence par spectroscopie Raman. Le rapport des intensités des pics de la () et de la () donne une indication sur la qualité de l'échantillon considéré. Plus le rapport D/G est petit, moins les nanotubes de carbone ont de défauts (« très peu de défauts » si ce rapport est inférieur à 0,25).
Propriétés Les nanotubes de carbone suscitent un vif intérêt dans le monde de la recherche, autant fondamentale qu'appliquée, car leurs propriétés sont exceptionnelles à bien des égards. D'un point de vue mécanique, ils présentent à la fois une excellente rigidité (mesurée par le module de Young), comparable à celle de l'acier, tout en étant extrêmement légers. Des points de vue électrique et optique, les nanotubes mono-feuillets ont la particularité tout à fait exceptionnelle de pouvoir être soit métalliques soit semi-conducteurs en fonction de leur géométrie (angle d'enroulement de la feuille de graphène).
Ces propriétés extraordinaires sont cependant à modérer car ces objets de taille nanométrique ne sont jamais utilisés seuls mais dispersés dans une matrice hôte. Le composite ainsi formé verra ses propriétés mécaniques, électriques, thermiques changer, plus ou moins selon le taux d'incorporation et le type de dispersion. Ainsi, une matrice polymère diélectrique verra sa conductivité électrique augmenter à la suite de l'ajout de nanotubes de carbone, si le seuil de percolation électrique est dépassé. L'intérêt majeur du nanotube de carbone est son très haut facteur de forme (ratio diamètre sur longueur). Cette forme particulière permet de changer les propriétés d'une matrice hôte avec des taux infimes de nanoparticules. Le taux de nanotubes de carbone dans un composite final dépasse rarement le pour cent massique.
Propriétés mécaniques Le module de Young des nanotubes de carbone a été calculé de façon théorique, via des simulations, par différentes équipes de chercheurs et différentes méthodes. La littérature fournit des valeurs théoriques comprises entre 1. et .. Expérimentalement, l'équipe de Yu . a attaché des MWNT à la pointe d'un microscope à force atomique (AFM) afin de mesurer leurs modules de Young. Des valeurs variant de ont été mesurées. Le mécanisme de rupture « épée dans son fourreau » a été mis en évidence pour les MWNT.
En revanche, il a été prouvé que dans la direction radiale, les nanotubes de carbone sont moins résistants du point de vue mécanique. Un diagramme de phase complet donnant la transition vers la géométrie radialement effondrée en fonction du diamètre, de la pression et du nombre de parois du nanotube a été produit, semi-empiriquement.
Conductivité thermique Les nanotubes de carbone ont une conductivité thermique très élevée, mais pas encore consensuelle quant à sa hauteur. Différents facteurs influent sur sa détermination : le type de nanotube (SWNT ou MWNT), le nombre de parois, la méthode de mesure ou du type de modélisation.