Des chercheurs du CNRS, en collaboration avec une équipe britannique, montrent que les nanotubes de carbone à doubles parois présentent des propriétés originales de résistance aux hautes pressions. Leurs résultats, publiés dans la revue Physical Review Letters, ont d'importantes applications dans divers domaines comme les nano-capteurs et les nano-capillaires soumis à des pressions élevées.
Image tridimensionnelle d'un nanotube à double paroi,
reconstituée à partir d'un calcul de structure électronique
© Pascal Puech
Les nanotubes de carbone sont des structures tubulaires qui peuvent posséder plusieurs parois parallèles ou feuillets co-axiaux. Dans ce cas, les nanotubes apparaissent comme des cylindres emboités les uns dans les autres, à l'image de poupées russes à l'échelle nanométrique (voir figure).
Des chercheurs du CNRS à Toulouse et des chercheurs britanniques ont cherché à comprendre le comportement mécanique des feuillets les uns par rapport aux autres. Ils ont soumis des nanotubes de carbone à doubles parois à des pressions hydrostatiques élevées, de dix mille à cent mille fois la pression atmosphérique, et ont analysé leur comportement par une technique optique qui permet de sonder les propriétés mécaniques des matériaux à travers leurs vibrations. Ils montrent que les deux parois des nanotubes ne se comportent pas de la même manière sous la pression: alors que la paroi externe se comporte comme la paroi unique d'un nanotube à paroi simple, la paroi interne semble ne subir qu'une partie de la pression exercée. Ces expériences prouvent que les différentes parois des nanotubes de carbone ne sont pas en forte interaction et se comportent d'un point de vue mécanique indépendamment l'une de l'autre. Ce comportement est spécifique des nanotubes de carbone et n'existe pas dans le graphite, qui est le système macroscopique équivalent.
Cette étude fondamentale sur les nanotubes à doubles parois, système le plus simple permettant de comprendre le comportement mécanique des couches les unes par rapport aux autres, est une étape importante dans la modélisation des propriétés mécaniques des nanotubes à parois multiples. Leur grande résistance en fait l'outil privilégié d'applications dans certains domaines des nanotechnologies qui impliquent l'utilisation de hautes pressions. C'est le cas des micro-capteurs de forces et des nano-capillaires soumis à des pressions internes élevées lors du transport de fluides. Dans ce dernier cas, les nanotubes à doubles parois représenteraient un système de haute sécurité puisque la rupture accidentelle d'une paroi interne ne serait pas nécessairement transmise à toutes les parois du nanotube, comme cela serait susceptible de se produire si tous les feuillets étaient également sensibles à la pression.