Nanotubes de carbone

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Exercices
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Matériaux

Le carbone est un élément de la deuxième période de la classification périodique, il possède 6 électrons dont 4 sur sa couche externe. Sa structure électronique lui permet de former 4 liaisons de covalence.

L’une des formes allotropiques sous lesquelles on trouve le carbone est le graphite. Il s’agit d’un solide noir de structure hexagonale (voir figure ci-après). Le graphite est constitué d’un empilement de plans, distants de 3,3 Å, selon un mode décalé A-B-A-B. Les interactions entre les plans sont du type van der Waals. De ce fait les plans graphènes peuvent glisser les uns sur les autres. Dans un de ces plans, les liaisons sont covalentes, donc plus solides que les liaisons interplans. Le graphite est un bon conducteur électrique et est utilisé comme électrode. On s’en sert également comme mine de crayon.


Une autre forme allotropique naturelle du carbone est le diamant. La figure ci-contre montre la structure du cristal tridimensionnel du diamant. Les liaisons de covalence entre les atomes de carbone ont une longueur moyenne de 1,5 Å. Sa structure cristalline est cubique. Le diamant est un très mauvais conducteur électrique mais possède une grande capacité thermique. Il est souvent utilisé pour sa dureté et ses propriétés abrasives (diamants synthétiques des foreuses).

Les fullerènes ont été découverts dans les années 1980. Il s’agit d’une autre forme allotropique du carbone, synthétisée en laboratoire.

Le C60 est composé de 12 pentagones et 20 hexagones, formant une structure tridimensionnelle fermée (voir figure ci-dessous).

D’autres formes ont été découvertes depuis, C70 (25 hexagones et 12 pentagones) et C80 (30 hexagones et 12 pentagones) par exemple.

On a depuis réussi à allonger les fullerènes pour obtenir des nanotubes. Les extrémités du nanotube sont des demi-« sphères » de fullerène C60 ou C70.

Les fullerènes sont utilisés pour leurs propriétés lubrifiantes et conductrices, dans les domaines cosmétique, pharmaceutique et électronique par exemple. On envisage d’utiliser les fullerènes comme « cage » pour des molécules médicamenteuses actives, qui seraient libérées petit à petit dans le corps.

Les nanotubes de carbone ont montré une grande résistance mécanique et sont activement étudiés tant d’un point de vue théorique que pour diverses applications à venir. Ils pourraient à l’avenir être utilisés comme fils légers et extrêmement résistants.

1. Quelles sont les principales applications du graphite ? Justifier ses propriétés du fait de sa structure.

2. Pourquoi le diamant est-il un mauvais conducteur de l’électricité ?

3. Décrire les caractéristiques et applications des fullerènes.

4. Quelles sont les applications possibles des nanotubes de carbone ?