Un nanotube de carbone est un minuscule tube creux d'atomes de carbone, reliés selon un motif d'hexagones semblable à celui des feuillets qui composent le graphite. Un nanotube monoparoi, dont la paroi n'a que l'épaisseur d'un atome, mesure généralement environ 1 nanomètre de diamètre. Un nanomètre est un milliardième de mètre. Les nanotubes sont bien plus longs que larges, leur longueur se mesurant en micromètres, c'est-à-dire en millionièmes de mètre.

Taille

Le 1 nanomètre indiqué par l'explorateur est le diamètre d'un nanotube monoparoi typique, mesuré en travers du tube. Les largeurs varient d'un tube à l'autre. Une étude portant sur 34 nanotubes monoparois a mesuré des diamètres compris entre 0,7 et 1,2 nanomètre.

Les nanotubes multiparois sont plusieurs tubes emboîtés les uns dans les autres, ce qui les rend plus larges. Ceux que Sumio Iijima a décrits en 1991 comptaient de 2 à environ 50 parois, et mesuraient de quelques nanomètres à quelques dizaines de nanomètres de diamètre.

Les longueurs varient aussi. L'étude portant sur ces 34 tubes n'a mesuré que des tubes de plus de 3 micromètres de long, si bien que chacun était au moins 2 500 fois plus long que large.

Comparaisons de taille

• Entre 80 000 et 100 000 nanotubes monoparois côte à côte s'étendraient sur la largeur d'un cheveu, qui mesure de 0,08 à 0,1 millimètre de large.
• Un footballène, une boule fermée de 60 atomes de carbone, mesure environ 1 nanomètre de diamètre, à peu près la largeur d'un nanotube monoparoi typique.
• Si un nanotube large de 1 nanomètre et long de 3 micromètres était agrandi jusqu'à avoir la largeur d'un cheveu humain, soit 0,1 millimètre, il mesurerait environ 30 centimètres de long, soit la longueur d'une règle.

La découverte des nanotubes

Iijima a signalé l'existence de nanotubes de carbone dans la revue Nature le 7 novembre 1991. Il les avait obtenus par arc électrique, une méthode semblable à celle utilisée pour produire des footballènes. Des tubes en forme d'aiguilles se sont formés sur l'électrode négative de l'arc. Au microscope électronique, chaque aiguille s'est révélée être un ensemble de 2 à environ 50 tubes de feuillets de carbone, emboîtés les uns dans les autres.

Dans chaque tube, les hexagones d'atomes de carbone s'enroulent en spirale. Iijima a noté que la fabrication de ces tubes suggérait que des structures de carbone pouvaient être construites à des échelles bien plus grandes que celles des footballènes.

En 1993, deux équipes ont signalé l'existence de nanotubes monoparois. Iijima et Toshinari Ichihashi ont trouvé des tubes d'environ 1 nanomètre de diamètre. D. S. Bethune et ses collègues, qui avaient ajouté du cobalt au carbone, ont trouvé des tubes d'environ 1,2 nanomètre de diamètre.

Observer un seul nanotube

Un nanotube isolé est bien trop fin pour être vu, mais certains types émettent une lueur dans le proche infrarouge. Dans une étude de 2009, des chercheurs ont utilisé cette lueur pour filmer des nanotubes isolés dans l'eau à l'aide d'un microscope à fluorescence. Les tubes se courbaient dans un sens puis dans l'autre sous l'effet des chocs aléatoires du liquide environnant, un mouvement appelé mouvement brownien.

À partir de cette flexion, les chercheurs ont établi que la rigidité d'un nanotube augmente comme le cube de son diamètre. Un tube deux fois plus large est huit fois plus difficile à courber. Leur grande longueur par rapport à leur largeur, leur résistance et leurs propriétés électriques rendent les nanotubes bien adaptés à des usages dans les matériaux d'ingénierie et en médecine.

Sources

• Diameter-dependent bending dynamics of single-walled carbon nanotubes in liquids. Fakhri et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, 2009.
• Helical microtubules of graphitic carbon. Sumio Iijima, Nature, 1991.
• Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter. Iijima and Ichihashi, Nature, 1993.
• Cobalt-catalysed growth of carbon nanotubes with single-atomic-layer walls. Bethune et al., Nature, 1993.
• Thermally Activated Sliding of C60 on Gold. Pierno et al., ACS Omega, 2025.
• Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.