Les nanotubes de carbone

Les nanotubes de carbone

Par l’équipe AVICENN – Dernier ajout avril 2023

Il existe différents types de nanotubes de carbone

Découverts il y a deux décennies, les nanotubes de carbone constituent une nouvelle forme de carbone.

Il en existe une grande variété et leurs caractéristiques physico-chimiques varient selon leur procédé de fabrication ou de mise en œuvre.

Ces nano-objets sont des feuillets de graphène enroulés sur eux-mêmes, formant des cylindres creux, avec au moins deux dimensions dans l’échelle nanométrique.

Ils peuvent être divisés en deux grands groupes :

• les nanotubes de carbone à paroi simple (SWCNT : single-walled carbon nanotube), qui sont constitués d’une feuille de graphène, enroulés sous forme de tube cylindrique,
• les nanotubes de carbone multi-parois (MWCNT : multi-walled carbon nanotube) constitués de plusieurs tubes concentriques.

Leur diamètre moyen varie du nanomètre (SWCNT) à quelques dizaines de nanomètres (MWCNT), jusqu’à 100 nm.

Leur longueur varie également de quelques micromètres à quelques centaines de micromètres, elle peut même atteindre plusieurs mètres dans certains cas.

Quelles propriétés ?

En raison de leurs propriétés exceptionnelles – conductivité électrique, résistance mécanique et conductivité thermique, les nanotubes de carbone ont été présentés comme des matériaux révolutionnaires pour les secteurs industriels comme l’électronique, l’aérospatiale ou la nanomédecine.

L’importance de leur rapport « longueur sur diamètre » confère en effet aux nanotubes de carbone des propriétés très particulières, exploitées ou convoitées :

• pour les matériaux (dissipation électrostatique, renforcement mécanique),
• pour les revêtements (conductivité électrique aux adhésifs et encres par exemple),
• pour l’énergie (allongement de la durée de vie de systèmes de stockage d’énergie en permettant un nombre de cycles charges/décharges plus important ; accroissement des performances des batteries li-ion)
• pour la catalyse
• pour le domaine médical¹Cf. Saito, N. et al. Future Prospects for Clinical Applications of Nanocarbons Focusing on Carbon Nanotubes. Advanced sciences, 2022 : vectorisation de médicaments, imagerie voire dispositifs médicaux.

Pourtant, fin 2017, le « miracle » semble ne pas avoir été au rendez-vous ; les applications industrielles fonctionnelles semblent rares. Les nanotubes de carbone sont difficilement combinables avec d’autres matériaux, ou lorsqu’ils peuvent être combinés, peuvent perdre les propriétés pour lesquelles on les a fabriqués²Fine felted nanotubes CAU research team develops new composite material made of carbon nanotubes, Kiel University, 21 novembre 2017.

Quelle quantité sur le marché ?

En 2016, entre une et dix tonnes* de nanotubes de carbone avaient été déclarées au registre R-nano comme ayant été produites et/ou importées en France en 2015. Mais en 2019, moins de 1 kg a été déclaré en tout et pour tout au niveau national pour 2018. Le volume déclaré est remonté dans la fourchette 1-10 tonnes dans les bilans 2020 et 2021. Le flou est grand : cette fourchette illustre le poids accordé par les pouvoirs publics au secret industriel et commercial qui empêche aujourd’hui d’avoir une bonne appréhension des quantités et usages des nanomatériaux, malgré les demandes d’information de plus en plus pressantes de la part d’un nombre croissant d’acteurs. Mais surtout, c’est peu en regard de ce que laissaient présager les annonces autour des promesses des nanotubes de carbone.

Quelques sites (et difficultés) de production

• D’ici à 2020, le groupe russe OCSiAl a prévu d’installer la plus grande production industrielle au monde de nanotubes en carbone à paroi simple au Luxembourg, dans la zone d’activités Hanebësch de Differdange³Cf. Nanomatériaux : un projet à 100 millions d’euros et 200 emplois à Differdange, Le Quotidien, 5 juillet 2017.
• En France, Arkema avait démarré en 2006 sur son site de Lacq le premier pilote de laboratoire capable de produire près de 20 tonnes par an de nanotubes de carbone. En 2009, l’entreprise avait annoncé la construction d’une unité pilote de production de nanotubes de carbone sur son site de Mont (Pyrénées-Atlantiques)⁴Arkema construit en France une unité pilote de production de nanotubes de carbone, Arkema, communiqué de presse, 17 septembre 2009. D’une capacité potentielle de 400 tonnes/an, l’unité n’aurait produit que 40 tonnes, en une seule fois, entre 2011 et 2015. « 40 tonnes toujours stockées sur place », selon Éric Frasca, délégué CGT du site de Lacq-Mourenx⁵Mont : les nanotubes de carbone dans le collimateur de la Sepanso, La République des Pyrénées, 25 février 2015.
• En Allemagne, Bayer a également arrêté sa fabrication de nanotubes de carbone en 2013⁶Voir notamment :
  – Nanotubes de carbone : la déception gagne l’industrie, L’Usine nouvelle, 13 mai 2013
  – Nanotubes de carbone : le marché sera plus restreint, selon Arkema, Industrie & Technologies, 16 mai 2013.
• En Belgique, Nanocyl dispose d’un pilote industriel qui n’est « toujours pas rentable quinze ans après sa création »⁷Nanocyl, fleuron technologique wallon, n’est toujours pas rentable quinze ans après sa création, RTBF, 9 octobre 2016..
• La concurrence asiatique expliquerait les difficultés des producteurs européens (en 2013, le chinois CNano Technology et le japonais Showa Denko étaient de plus en plus importants sur le marché des nanotubes de carbone).
• Aux Etats-Unis, parmi les acteurs du marché citons Hyperion Catalysis ou plus récemment la start-up californienne Saratoga Energy, qui a développé un procédé électrolytique prometteur permettant de transformer à bas coût le CO2 en nanotubes de carbone (moins de 5 dollars par kilogramme, soit cent fois moins que leur coût actuel de production en phase gazeuse sur support catalytique)⁸14 nominées et 3 gagnantes au start-up challenge du World Materials Forum 2017, L’Usine nouvelle, 25 avril 2017.

Quels risques ?

Les propriétés physico-chimiques intrinsèques des nanotubes de carbone soulèvent de nombreuses inquiétudes concernant leurs effets sur la santé humaine.

Au vu des effets délétères susceptibles d’être entraînés par certains nanotubes de carbone (les nanotubes entraînent des dégâts comparables à ceux provoqués par l’amiante au niveau des poumons et de la plèvre), une classification est en cours au niveau européen.