Fabrication contrôlée de nanotubes de carbone : un matériau de l'avenir

En tant que scientifique à l'Université de Cambridge, je suis impliqué de très près dans un projet fascinant sur les nanotubes de carbone. En coopération avec Bronkhorst, nous travaillons sur un réacteur permettant de contrôler la fabrication de ce matériau exceptionnellement résistant et conducteur. Je vais vous en dire plus sur ce sujet et pourquoi je pense que les nanotubes de carbone sont un matériau de l'avenir.

Histoire et avenir des nanotubes de carbone (CNT)

Au départ, le carbone se présentait sous trois formes moléculaires :

diamant
graphite
carbone amorphe

Soudain, au milieu des années 80, une nouvelle forme moléculaire a fait surface dans la recherche et a enflammé le champ pluridisciplinaire de la nanotechnologie. Cette molécule tout carbone, le fullerène de Buckminster, est une cage d'atomes de carbone de taille nanométrique avec une structure moléculaire qui ressemble à un ballon de football.

Modèle 3D de Buckminsterfullerene

Quelques années plus tard, un autre cousin du carbone moléculaire faisait son apparition : les nanotubes de carbone (CNT). Similaire au fullerène de Buckminster, la structure de ballon de foot est fortement allongée en un tube d'une largeur nanométrique et d'une longueur qui est des millions de fois plus grande que son diamètre. Fait scientifique captivant, les liaisons carbone puissantes du CNT avec sa structure moléculaire ordonnée en font le matériau le plus solide jamais construit. Les électrons, en tant que conducteurs unidimensionnels stables, glissent le long du CNT sans aucun effort, ce qui fait que la conductivité électrique du CNT est quatre fois plus grande que celle du cuivre avec une capacité de transport du courant maximale qui est 1000 fois supérieure à celle du cuivre.

Au début des années 2000, les chercheurs ont créé des procédés pour fabriquer des textiles composés de CNT dotés d'une microstructure regroupée et alignée avec densité. Au départ, les propriétés générales des textiles en CNT étaient bien en-deçà des formidables propriétés de leurs molécules individuelles. Après une amélioration sans relâche, la fibre de CNT de pointe est tout aussi solide que la fibre de carbone conventionnelle et sa conductivité est multipliée par quatre environ. Grâce au développement continu, nous comptons obtenir des fibres de CNT qui soient significativement plus résistantes que la fibre de carbone conventionnelle avec une conductivité électrique et thermique supérieures aux métaux traditionnels comme le cuivre et l'aluminium.

Les fibres de nanotubes de carbone trouvent leur application dans les textiles résistants aux déformations (vêtements de protection, gilets pare-balles), les composites, les matériaux composés de construction (céramiques, carcasses de voiture plus légères) et les câbles du fait de leur résistance. L'utilisation des nanotubes de carbone pourrait avoir un impact énorme sur la vie quotidienne, similaire à la façon dont les plastiques ont changé le monde au milieu du 20ième siècle.

Nanotubes de carbone (CNT) à l'Université de Cambridge

Notre laboratoire a inventé un procédé de production qui crée non seulement des nanotubes de carbone dans des volumes compétitifs sur le plan industriel mais qui le fait avec une perfection graphitique inégalée pour obtenir un textile macroscopique à microstructure alignée, et ce en une seule étape de production. Ce procédé de production est intrinsèquement plus simple que les autres procédés de production de fibres comme la fibre de carbone conventionnelle et le Kevlar.

Le réacteur de dépôt chimique en phase vapeur à catalyseur flottant (F-CVD) employé dans ce procédé nécessite uniquement une source de carbone (toluène), une source de catalyseur (ferrocène) et un promoteur à base de soufre (thiophène) qui sont mélangés ensemble et alimentés dans un réacteur à tubes à 1300°C par un gaz porteur (hydrogène). Un nuage de CNT flottant est formé. L'extraction mécanique du nuage de CNT hors du réacteur à tubes condense le nuage en une fibre dense à microstructure alignée. C'est ce que l'on appelle le "CNT spinning" ou le "filage de CNT". Du personnel spécialement protégé, appelé également "fileur", extrait mécaniquement le nuage de CNT en formant une fibre.

La régulation constante du réacteur reste cependant un défi. Les propriétés du CNT varient considérablement entre les passes et le lien entre les paramètres d'entrée contrôlés et non contrôlés du réacteur n'est pas encore complètement élucidé à ce jour.

Contrôle du réacteur de nanotubes de carbone

Notre programme vise à mettre en œuvre une boucle de commande solide pour contrôler les propriétés de matériau du CNT du réacteur. Chaque variable d'entrée et de sortie du réacteur qui sont des propriétés de matériau de CNT spécifiquement sélectionnées, sont mesurées et enregistrées automatiquement dans une base de données ; cela va des conditions météorologiques extérieures, aux opérateurs, à l'âge du tube, aux concentrations de précurseur, aux flux gazeux, etc... La base de données est constamment explorée pour les corrélations, l’interaction des paramètres et les modèles de régression linéaire multidimensionnels qui fournissent des prédictions statistiques sur le comportement du réacteur à l'aide du logiciel exploratoire de données JMP™.

Figure 1. Modèle statistique pour le rapport G/D du matériau

Par exemple, la figure 1 montre un modèle statistique pour le rapport G:D du matériau, soit le rapport entre le graphite (G) et les défauts graphitiques (D) par spectroscopie Raman, indiquant le degré de perfection graphitique. Le modèle est une fonction de différents paramètres d'entrée du réacteur que l'on a considéré comme étant les plus significatifs sur le plan statistique quant au rapport G:D. Sur l'axe horizontal du tracé ci-dessous, on peut voir les valeurs de prédiction de G:D du modèle et sur la verticale, les valeurs réelles mesurées. Dans un modèle parfait avec un contrôle parfait, on aurait une ligne droite à 45 degrés. On voit nettement que les points de données sont largement répandus le long de la ligne rouge, ce qui indique un bas niveau de régulation du réacteur.

Le paramétrage a consisté ici à simplement mélanger les précurseurs ensemble (toluène, ferrocène et thiophène) et à injecter la solution dans un gaz porteur hydrogène par le biais d'une simple pompe à engrenages. Il est apparu évident qu'un système plus sophistiqué était nécessaire pour une meilleure régulation du réacteur.

Solution de Bronkhorst pour la régulation du réacteur de nanotubes de carbone

La Figure 2 montre notre système amélioré. Les précurseurs liquides séparés sont désormais régulés indépendamment avec des instruments à effet Coriolis de Bronkhorst (gamme mini CORI-FLOW). Les débitmètres massiques à effet Coriolis fournissent des débits massiques précis sans devoir ré-étalonner entre des précurseurs différents, ce qui facilite grandement les essais de différentes recettes de CNT. Bronkhorst est le seul qui soit parvenu à appliquer le principe de l'effet Coriolis haute précision bien connu à une échelle extrêmement réduite en appliquant la technologie MEMS.

Les débits sont situés dans une plage allant jusqu'à 200 g/h pour le toluène et même en-dessous de 100 mg/h pour le thiophène. Les gaz porteurs hydrogène sont régulés par les régulateurs de débit massique robustes et prêts à l'utilisation de Bronkhorst. Enfin, les précurseurs dosés avec précision sont vaporisés et combinés aux gaz porteurs hydrogène régulés, par technologie de vaporisateur.

Figure 2. Carbon Nanotubes Reactor Scheme

Figure 2. Schéma du réacteur à nanotubes de carbone

Figure 3. Le réacteur de dépôt chimique en phase vapeur est beaucoup plus efficace

Avec cette nouvelle instrumentation plus sophistiquée, la modélisation statistique du réacteur de dépôt chimique en phase vapeur à catalyseur flottant est bien plus efficace. Ici, les valeurs réelles opposées à celles prévues pour la perfection graphitique sont beaucoup plus satisfaisantes, comme le montre la figure 3. Ce modèle a essentiellement moins de bruit, ce qui signifie que la réponse du réacteur est prévisible et reproductible. Jusqu'à présent, avec ce système de réacteur contrôlable et bien modélisé, nous avons plus que doublé les vitesses types de production de CNT et triplé le degré de cristallinité graphitique.

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