Lorsque
je me suis rendue à cette conférence, je n'avais aucune
idée de la
nature de ces "nanotubes de carbone" ni de leur utilisation,
mais il me semblait
important, du moment qu'on nous en offrait la possibilité, de
me tenir au courant des nouvelles technologies et de l'avenir que les
scientifiques
sont en train de nous préparer à grande vitesse. L'Union
des Ingénieurs et Scientifiques du Bassin de l'Adour
(UISBA), qui s'est donnée pour mission de mettre à portée
du public les grandes questions scientifiques et techniques de
notre
temps,
en collaboration avec l'Université de Pau et des Pays de l’Adour
(UPPA), a décidé d'organiser en 2009 un cycle de conférences,
chaque deuxième
mardi du mois à 18
heures, à l’UPPA
de Pau et d’Anglet-Montaury simultanément (par visio-conférence).
Le
conférencier, Dr Daniel Bernard, est conseiller scientifique à l'unité
de recherche de Lacq du groupe Arkema et il exerce également
la fonction de président
de la commission de normalisation « Nanotechnologies » de
l’AFNOR.
Très bon communicateur et vulgarisateur, il saura user de mots simples
pour nous présenter cette branche de la chimie de pointe qui est en
train
de
bouleverser l'ensemble des pratiques industrielles de la planète. Il
travaille pour le groupe international Arkema, né en
2004 de la réorganisation
de la branche Chimie de Total, et plus particulièrement au sein de
l'unité de
recherche de Lacq qui oeuvre déjà depuis 2000 à l'élaboration
d'un procédé industriel
de production des nanotubes de carbone présentant un prix de
revient compétitif. Celui-ci fait l’objet depuis 2006
d’un
développement
pilote pré-industriel.
S'agit-il d'une reconversion en cours des chimistes mondiaux à la
suite des problèmes
pétroliers ou d'une simple continuité de leurs activités,
je l'ignore, mais il est certain qu'un nombre croissant de sociétés
se positionne dans les nanotechnologies, et qu'elles semblent subodorer
des sources considérables de progrès et de profits en
la matière.
Qu'est-ce
donc que ce nanomonde ? C'est Richard Phillips Feynman (11 mai 1918
- 15 février 1988), physicien très influent, prix Nobel,
connu notamment pour ses travaux sur l'électrodynamique quantique
relativiste, les quarks et l'hélium superfluide, qui a fait
oeuvre de précurseur
en décrivant le nanomonde
dans sa célèbre conférence de
1959, "Plenty of Room at the Bottom" (beaucoup
de place en bas). Il y évoquait toutes les perspectives qui s'offriraient
aux scientifiques et techniciens qui arriveraient à maîtriser
ces matériaux extrêmement petits.
Puis Kim
Eric Drexler (né le 25 avril 1955) popularise la nanotechnologie
et inspire des ouvrages de science-fiction comme "La proie" de
Michael Crichton. Toutes les grandes familles de matériaux
sont concernées : métaux, céramiques,
polymères... Un nanomatériau est généralement
défini comme un solide dont une des dimensions au moins est inférieure à 100
nanomètres (le nanomètre correspond à un milliardième
de mètre : il est mille fois plus petit que
le micron ou micromètre qui est mille fois plus petit que le millimètre).
Cette unité est utilisée pour mesurer les longueurs d'onde
comprises entre l'infrarouge et l'ultraviolet, ou la finesse de gravure d'un
microprocesseur.
Pour donner une idée de l'échelle, un cheveu a un diamètre
de 80 microns, un globule rouge, 7 microns, et l'ADN, le platine, le titane
font entre 1
et 100 nanomètres. Une
nanoparticule est donc 100 à 1000 fois plus petite
qu'une cellule. Ces très faibles dimensions engendrent des dangers
toxicologiques, car ces particules peuvent s'introduire dans les cellules
et même
s'insérer dans l'ADN, entre deux gènes. Elles peuvent endommager
des tissus vivants, avec des risques de cancer. On n'a aucune idée
si un agglomérat
de nanoparticules est aussi dangereux.
De
nombreuses études de toxicité pulmonaire montrent que
l'exposition aux particules ultra fines produit un stress oxydant beaucoup
plus important que celui induit par des particules de plus grande taille
de même composition chimique. En ce qui concerne les particules fines
et grossières, leurs caractéristiques chimiques et physiques
de surface ont plus de pertinence que leur dimension, dans l'interaction
avec
les cellules
ou pour l'adsorption des protéines.
La plupart des nanoparticules sont des agrégats de petites molécules (TiO2, ZnO) ou d'atomes (or, argent). Plus rarement, ce sont des molécules à part entière. La plus médiatique est certainement la molécule de fullerène C60, composée de 60 atomes de carbone qui forment une « cage » sphérique ressemblant à la surface d'un ballon de football. On distingue trois grandes familles de nanomatériaux : les nano-objets (nanoparticules, nanofibres…), les matériaux nanostructurés en surface et les matériaux nanostructurés en volume.
A
l'heure actuelle, nous
sommes déjà exposés aux nanoparticules,
soit d'origine naturelle - Exemples : poussières émises
par combustion ou par les volcans, produites par érosion -, soit
d'origine anthropique non manufacturées, déchets de
l'activité humaine
- Exemples : nanoparticules diesel, combustions diverses, réactions
entre gaz, condensation - ou encore manufacturées dans un but industriel
ou de recherche - Exemples : noir de carbone, 20 à 30 nm (pneus, semelles
de chaussure...), dioxyde de titane
(peintures blanches, dentifrices,
crèmes solaires, surfaces auto-nettoyantes...), nanoparticules de silice,
30 à 50 nm (pneu « vert » de Michelin, polymères
alimentaires ou cosmétiques, dentifrices), nanoparticules d'or (catalyseur)...
-, l'argile, quelques dizaines de nanomètres.
Les
propriétés physiques et chimiques
d’un
matériau
changent considérablement lorsqu’on passe de l’état
massif à l’état
nanométrique et les caractéristiques inédites des
nanomatériaux permettent des innovations de rupture dans divers
domaines. La réactivité de
surface est différente de celle de la masse. Par exemple, l'or
est en principe inactif. Si on en utilise des parcelles de taille
nanométrique, une réactivité apparaît (catalyseur)
et sa couleur change. Des
tubes de carbone 100 fois plus fins qu’un
cheveu sont cent fois plus résistants et au moins dix fois plus
légers
que l’acier, ils conduisent mieux l’électricité que
n’importe quel matériau connu et pourraient remplacer peut-être, à terme,
les lignes à haute tension actuelles ; les nanomatériaux
auraient la capacité de
stocker plus de 5 téraoctets sur un timbre-poste, et celle de faire
assembler des processeurs plus petits qu’un grain de poussière
par des bactéries…-. En médecine, on projette d'introduire
dans le corps un produit nocif enfermé dans un nanotube de carbone
qui atteindrait sa destination
pour le délivrer au bon endroit (cellule cancéreuse). Ainsi,
le patient n'aurait plus à souffrir des effets secondaires des actuels
traitements chimiothérapiques.
On envisage d'hybrider du carbone vivant avec du silicium, créer des
nanomachines (ingestion d'une caméra, association d'une mouche et d'une
caméra pour l'espionnage...).
De nombreuses applications militaires sont à l'étude dans le
monde entier.
On peut réaliser des matériaux nanostructurés,
alliages métalliques, avec
de la vitrocéramique, des tamis moléculaires (zéolithes stables
pour les procédés
de séparation), polymères bi ou tri-blocs. Les surfaces nanostructurées
peuvent avoir d'innombrables applications industrielles. Les nanomatériaux
sont déjà
utilisés partout : balles de golf, vélos, textiles, téléphones
cellulaires, microordinateurs portables, peintures, réfrigérateurs
- pour
la destruction des mauvaises odeurs -, revêtements (isolation
thermique, contre le rayonnement), surfaces autonettoyantes, résistantes
aux rayures (lunettes, voitures), textiles techniques, membranes... Devant
un tel dynamisme industriel, la normalisation doit être très
près du business, les normes ayant l'avantage sur les
brevets de ne pas être limitées dans le temps.
C'est
le carbone qui possède la structure la plus stable sur la Terre, en
raison de sa forme tétraédrique. (Il possède
4 électrons sur la couche externe ; ceux-ci
peuvent être mis en commun pour former 4 liaisons simples disposées
selon les directions du tétraèdre, avec les électrons
d'autres atomes. La molécule de méthane, l'alcane le
plus simple, a donc la forme d'un tétraèdre dont chaque
sommet est occupé par
un atome d'hydrogène et le centre est occupé par un atome
de carbone.) Le plus couramment,
le carbone existe à l'état naturel sous la forme de graphite (celui
qui est contenu dans les crayons noirs), plus rarement de diamant (qui
est
moins stable).
Une
première révolution a eu lieu
en
1985 avec
la
découverte en laboratoire
du fullerène (celui
dont une des formes ressemble au ballon de football ci-dessus),
qui existe à l'état naturel en infimes quantités
sous la forme de molécules C60 (C indique le carbone et 60
le nombre d'atomes), C70, C76 et C84, contenues dans la suie
ou
formées par des décharges électriques dans l’atmosphère.
La découverte de tubes creux nanométriques composés de feuillets de graphite a été d'abord attribuée à Sumio Iijima (NEC - Nippon Electronic Corporation) en 1991. Mais un article de Oberlin, Endo et Koyama publié en 1976 montre clairement des fibres de carbone creuses de taille nanométrique, obtenues à partir de méthodes CVD (Chemical vapor deposition). De plus, les auteurs montrent une image en MET (microscopie électronique en transmission) d'un nanotube constitué d'un seul feuillet de graphène. Plus tard, Endo a considéré que cette image était celle d'un nanotube monofeuillet. Pour la petite histoire, le chercheur japonais Endo a fait ses études en France, à Orléans, puis il a créé son propre laboratoire au Japon. Amoureux de la France, il sera présent lors du prochain congrès international Carbon'09 qui se tiendra à Biarritz le 14 juin prochain au Casino municipal et au Casino Bellevue en tant que membre du comité scientifique japonais.
Depuis
2003-2004, la molécule de graphène a
été découverte, beaucoup plus porteuse en électronique,
car elle a des propriétés
remarquables. Le graphène est un cristal de carbone bidimensionnel
formé de cellules hexagonales. Le graphite est formé par ces
feuilles de graphène dont l'épaisseur correspond à la
taille d'un atome de carbone. Les nanotubes et les fullerènes sont
aussi des structures bidimensionnelles qui peuvent être vues comme
des formes dérivant du graphène. Si l'on découpe une
couche dans du graphite, ou, plus fréquemment, qu'on la dépose
par vaporisation sur une plaque de silicium, l'ensemble constitue un conducteur
bidimensionnel
très performant. Une structure à créer serait le graphène à piliers
dont les propriétés remarquables permettraient de stocker de
l'hydrogène dans
les piles à combustible.
Sous
l'impulsion de ces découvertes, la chimie du carbone est en très forte
croissance. Ont été créés plusieurs types de nanotubes
de carbone de 0,4 nanomètres jusqu'à 4 nanomètres, d'abord simples,
puis à enroulement, ou encore en hélice. Les nanotubes à simple paroi
présentent trois formes électriques selon la fermeture des parois,
l'une d'elle
est un semi-conducteur. Il y a aussi des nanofibres (sous forme de
chapeaux chinois, de piles d'assiettes) de 10 nm à un micron, des "single
wall" (à une paroi) en fagots. Pour
obtenir des nanotubes monofeuillets, sous des conditions de température
et de pression élevées,
on fait évaporer du carbone (du graphite, le plus souvent) dans
une atmosphère de gaz rare, en général de l'hélium
ou de l'argon.
Une
cible de graphite est ablatée avec un rayonnement laser de forte énergie
pulsé ou
continu. Le graphite est soit vaporisé soit expulsé en
petits fragments de quelques atomes. C'est un procédé coûteux
mais plus facile de contrôle, ce qui permet d'étudier
la synthèse et de n'obtenir que les produits désirés.
Il ne peut être utilisé qu'en laboratoire. Pour une production industrielle,
on utilise des procédés à moyenne température (600 à 1000°C) à partir
de méthylène, d'acétylène, avec de l'hydrogène et des catalyseurs,
pour faire croître des nanotubes. Ce qui est important, c'est le trou
au milieu (sinon, ce sont des nanofibres).
Ces nanotubes de carbone détiennent plusieurs propriétés
intéressantes : une conductivité électrique meilleure que celle des
métaux, une résistance
mécanique
supérieure à celle de l'acier, une conductivité thermique excellente
(refroidissement très rapide), une résistance à haute température et
une résistance chimique (à condition que la structure ne comporte aucun
défaut). En pratique, les nanotubes observés à l'aide d'un microscope
électronique à balayage ressemblent à un amoncellement de soja ou de
spaghetti.
Voici maintenant l'état des lieux pour la période 2000-2008. Le problème qui se pose à Arkema (l'ex-branche chimie de Total), c'est de déterminer ce que l'on peut faire avec des nanotubes. Ils sont excessivement chers à l'achat, de l'ordre de 100 à 1000 $ le gramme. La société américaine Hyperion Catalysis International, fondée en 1982, est le leader sur le marché, elle a déposé quatre brevets en 1983. D'autres sociétés se sont créées depuis (y compris celle d'Endo au Japon) et neuf producteurs japonais ont permis au Japon de devenir leader sur le marché de l'électronique (Sony introduit depuis des années 10% de nanotubes de carbone dans ses batteries lithium-ion). En Europe, la France, la Belgique, la Grande-Bretagne et l'Allemagne se sont mis sur les rangs en 2001. Le problème, c'est qu'en matière de spécifications rien n'est clair pour distinguer les différents produits issus de la nanochimie du carbone, on ignore leur disponibilité, leurs capacités, il est très difficile de faire des comparaisons entre producteurs et encore plus délicat de passer de l'un à l'autre.
Arkema (le
laboratoire de recherche de Lacq) veut élaborer une approche industrielle
pour élaborer un procédé de production
à un prix économique. Arkema souhaite
également maîtriser les fonctionnalités des nanotubes. Daniel Bernard
souligne qu'il faut se méfier des études de marché qui annoncent un
avenir glorieux (les
fibres
de
carbone auraient dû suivre une croissance exponentielle et les prévisions
annoncées n'ont jamais été atteintes). Il est essentiel dans un premier
temps de faire chuter les prix à la production. Arkema s'est associé
avec l'institut polytechnique de Toulouse et a créé un réacteur contenant
un catalyseur formé de nanodépôts de fer, mis en présence d'hydrocarbure
(éthylène). Celui-ci se décompose au contact du métal en un carbure
métallique et les nanotubes se déposent à la surface de ce carbure
métallique en quelques minutes ou dizaines de minutes : la réaction
est très rapide. Constatant ces résultats, Arkema a créé un réacteur
pilote, en janvier 2006, qui est davantage un gros pilote de laboratoire,
préalable
nécessaire
avant la construction d'un futur pilote pour l'industrialisation
du procédé. Celui-ci tourne actuellement en continu, mais il faut encore
réfléchir
au développement commercial et effectuer des études toxicologiques
pour les futurs produits industriels.
Quelles
en sont les applications ? Celles de "fonctionnaliser", c'est à dire,
avec la chimie, greffer des fonctions de dispersion,
de compatibilisation (graphitisée, oxydisée...), greffer des polymères
pour rendre les nanotubes compatibles dans certains milieux (avec du
polystyrène par exemple). Aux USA, on introduit des nanotubes de carbone
dans des articles de sport, crosses de hockey ou batte de baseball
(1 à 2% de nanotubes), en France, Arkema a travaillé sur un vélo de
compétition pour en rigidifier le cadre. Dans l'aérospatiale, les Airbus
ont pris beaucoup de retard dans leur fabrication car les matériaux
n'étaient pas contrôlés. Il faudrait des matériaux plus performants
à poids équivalent, notamment pour bloquer les fractures (les nanotubes
pourraient être placés en trame pour rigidifier les parois) ou alors
pour accroître la résistance à la foudre des composites (elle provoque
des perforations dans les structures) : l'introduction de nanotubes
permettrait d'évacuer le courant électrique. Dans l'automobile, les
pneus sont améliorés par l'ajout d'un pour cent de nanotubes. Ceux-ci
permettent aussi de créer une peinture électrostatique qui adhère mieux
sur les pièces plastiques et composites qui sont non conductrices.
Il en est de même pour les réservoirs d'essence, les canalisations,
qui doivent être conducteurs. Ils sont utilisés dans les condensateurs,
les batteries, les pots catalytiques.
On
pourra les introduire dans les cellules photovoltaïques (panneaux solaires),
pour l'isolation thermique des bâtiments, dans les piles à combustible,
pour la lumière froide, le stockage de l'hydrogène, améliorer la
résistance
des pales des éoliennes, confectionner des écrans plats d'ordinateur
(enroulables ?). Une multitude d'applications innovantes sont à l'étude.
Les USA parient beaucoup sur leur utilisation pour améliorer le réseau
de distribution électrique (qui comporte actuellement beaucoup de
déperdition énergétique au cours du transport sur longues distances)
et remplacer
les lignes à haute tension par des câbles plus solides et meilleurs
conducteurs sans déperdition. On parle aussi d'un "ascenseur spatial",
câble de nanofibres entre la Terre et un satellite en rotation dans
l'espace. Les nanostructures pourraient être introduites aussi dans
le génie civil (ponts). Le CNRS a découvert un procédé par coagulation
des fibres de carbone qui pourraient remplacer le kevlar (gilets
pare-balle, coques de bateau, voiles de navire, ailes d'avion...).
Dans l'électronique,
ils constitueraient des transistors quantiques, des mémoires statiques.
Dans le médical, la recherche étudie leur introduction dans les catalyseurs,
les ignifugeants, les adsorbants. Les nanotubes de carbone servent
en tant qu'adsorbant pour des produits spécifiques sous forme d'un
feutre (pas d'une poudre) pour la dépollution de l'eau...
Ce
développement exponentiel tous azimuts inquiète les sociétés
des "vieux"
pays comme la France. L'OCDE
s'inquiète de l'impact sur la santé de ces différents
additifs. Le stockage électrochimique de l'énergie voit
ses performances améliorées avec les nanotubes de carbone
: les batteries de lithium-ion en contiennent depuis vingt ans, sans
contrôle sur l'impact écologique ou sanitaire ! Il faut
apporter des réponses sur le plan de l'hygiène, de la
sécurité, de
l'environnement.
Pour ce faire, il faut établir une normalisation internationale
et
évaluer les dangers et les risques. En Allemagne, des personnes
ont eu un malaise après avoir lu sur un emballage qu'il s'agissait
d'un
"nanospray" : en réalité, ce n'était qu'une
publicité de
mauvais goût,
il ne contenait aucun nanoélément. Il faut définir
une éthique (lorsque
la France était présidente des instances européennes,
elle a insisté
sur ce point). Il est urgent de réaliser une gouvernance mondiale
pour
éviter les rejets par les populations (à l'instar du
nucléaire ou des
OGM)
et la prise de risque. En France, c'est le rôle de l'AFSSET de
se préoccuper de ces thèmes et qui prône le principe
de précaution.
On constate actuellement que beaucoup d'études sont faites sans
protocoles corrects. L’iPod
Nano a été mis en cause dans des incendies au
Japon : Apple a
eu affaire plusieurs fois à des problèmes de batteries
défectueuses.
En 2006, la société figurait parmi la longue liste de
fabricants contraints de rappeler des batteries de marque Sony présentant
des risques d’incendie similaires.
Il
n'y a pas de méthodes normalisées, alors que 40 pays produisent des
nanomatériaux : il est impératif de
créer une réglementation spécifique. Le problème, c'est que l'on
ignore les risques qu'encourent les travailleurs et que l'on n'a rien
établi
en matière de gestion des déchets. Il est nécessaire de travailler
dans la transparence, en expliquant ce que font les chercheurs à
tous les publics "afin que la France ne loupe pas le virage des nanotechnologies,
contrairement à celui des OGM", souligne Daniel Bernard. Le souci,
c'est que cette technologie n'est pas très difficile et que tout
pays
peut s'y mettre, y compris les pays émergents, comme Singapour par
exemple. Pour l'instant, les ONG (organisations non gouvernementales)
sont d'accord pour travailler de concert avec les chercheurs pour
voir s'il est prudent de développer ces technologies sans risque pour
l'environnement
et les humains.
En lien, voici une histoire intitulée "Des nanotubes dans les sabres de Damas", où l'on constate qu'on utilise ces technologies depuis longtemps sans le savoir.
Article paru dans le Sud-Ouest en page d'Anglet le 16 janvier 2009 : Un nouveau cycle de conférences scientifiques
Conférence de Daniel Bernard à l'UPPA d'Anglet-Montaury | Les nanotubes
de carbone |
13 janvier 2009 |