Interfaces, Confinement, Matériaux et Nanostructures - ICMN

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Jeudi 15 janvier 2015

14 heures, bibliothèque de l’ICMN

« Etudes fondamentales et appliquées de nanostructures carbonées »

Jimmy Nicolle, Maitre de Conférences ICMN

Résumé

L’atome de carbone n’a cessé d’influencer le développement de la vie mais aussi des technologies au-travers des âges. En effet, cet atome accompagne l’espèce humaine dans son développement, depuis la préhistoire (peintures rupestres), jusqu’à nos jours (nanostructures carbonées). Les études expérimentales sur ces dernières formes carbonées ont commencé dans les années, 1970 pour les fullerènes (0D), 1980 pour les nanotubes (1D), et 2004 pour le graphène (2D). L’intérêt grandissant pour ces nanostructures de la part de la communauté scientifique, mais aussi industrielle, est autant motivé par leurs propriétés fondamentales (conduction électriques, propriétés mécaniques…) mais aussi, par les applications technologiques futures potentielles (électronique, renforcement de structures …). Les travaux qui vont être présentés au-cours de ce séminaire s’inscrivent dans cette approche couplant à la fois les études fondamentales mais aussi appliquées.

Dans une première partie, nous explorerons l’évolution des propriétés mécaniques mais aussi chimiques du graphène exfolié sous haute pression. Ces études ont été réalisées en couplant deux techniques expérimentales, les dispositifs de hautes pressions (cellules à enclumes de diamants) et la spectroscopie Raman in-situ. Les résultats expérimentaux mis en parallèle avec une approche théorique basée sur un modèle de mécanique des milieux continus nous ont permis de mettre en évidence l’importance du rôle joué par le couplage entre le substrat et les échantillons comportant 1-2 couches de graphène. Ce couplage explique la transition entre le comportement mécanique 2D (déformation biaxiale) et 3D (déformation triaxiale) observée expérimentalement entre les échantillons comportant 2 et 3 couches respectivement1. Nous avons aussi montré un fort phénomène d’injection de charges dans ces échantillons dans certaines conditions expérimentales. Ces résultats fondamentaux ouvrent des perspectives intéressantes pour des applications technologiques futures notamment sur l’utilisation des déformations mécaniques et le dopage pour modifier les propriétés électroniques des échantillons de graphène.

La seconde partie portera sur l’étude et le développement de membranes de nanotubes de carbone fonctionnalisées pour l’extraction d’ions lourds en solution. Cette étude a été réalisée au Commissariat de l’Energie Atomique, et s’inscrit dans la filière décontamination. Le but de ces travaux était de développer des membranes de nanotubes de carbones fonctionnalisés afin de remplacer les composés à base de silice usuellement utilisés dans le cadre de la séparation des ions lourds en solution. Les nanotubes de carbone présentent l’avantage, de comporter une large surface spécifique (∼500 m^2/g), et d’être, résistants aux milieux acides ou basiques, ainsi que facilement fonctionnalisables par réaction Diels Alder2. Il est aussi possible de les organiser sous forme de membranes autoportées afin de constituer des lits de sorbants utilisables dans des colonnes de filtration au niveau industriel. Nous avons donc développé un processus de filtration, permettant l’extraction de césium d’une solution aqueuse 3, ce qui a validé l’utilisation des nanotubes comme support de filtration, et conduit à d’autres tests sur d’autres atomes présentant un intérêt plus important. Au-cours de ce développement, nous avons aussi pu prouver, expérimentalement (spectroscopie Raman, ATG, UV-visible-NIR, TEM), ainsi que théoriquement (modèle DFT) un phénomène de fonctionnalisation sélectif sur les nanotubes métalliques ou semiconducteurs par voie Diels Alder suivant le type de molécules utilisées 4. Ce dernier résultat présente un intérêt plus large, pour une séparation post production des nanotubes de carbones, ce qui permettrait d’ouvrir un des verrous majeurs pour l’utilisation technologiques des nanotubes de carbone.