Architectures des molécules et nanomatériaux

Sciences des nanotubes de carbone

Les nanotubes de carbone sont des réseaux hexagonaux d'atomes de carbone qui sont enroulés en cylindres. Les cylindres ont un diamètre d'un nanomètre mais peuvent être des dizaines de microns de long. Chaque tube est fermé à chaque bout par un capuchon formé de la moitié d'une molécule de fullerène.

Les nanotubes de carbone à paroi simple (NCPS) ont des propriétés électriques, mécaniques, optiques et chimiques exceptionnelles qui les rendent utiles pour plusieurs applications. Nous collaborons avec des associés internes et externes pour développer des dispositifs moléculaires pour usage biomédical ainsi que des matériaux composites, pour comprendre l'adsorption des gaz à l'intérieur des nanotubes et pour vérifier si les nanotubes de carbone peuvent servir à produire des piles à combustible plus efficaces.

Un approvisionnement adéquat est d'une importance cruciale pour le développement de ces applications. Nous étudions actuellement deux approches, l'une basée sur les lasers, et l'autre, pour la production à grande échelle, basée sur le dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Nous avons mis au point une méthode unique de synthèse au laser de NCPS pouvant produire des échantillons de grande pureté avec un bon rendement total. L'installation prochaine d'un nouveau laser au dioxyde de carbone à haute puissance promet d'améliorer davantage notre taux de production. Nous croyons que cette méthode et ses dérivés peuvent être utilisés pour synthétiser des nanotubes ayant des structures de bande spécialisées.

La synthèse en phase gazeuse continue et non soutenue au moyen de la CVD pourrait mener à des méthodes de synthèse à échelle entièrement évolutive. Notre méthode est basée sur la synthèse in situ de nanoparticules métalliques catalytiques. La solution catalytique est pulvérisée dans un four à haute température (800 – 1200 ºC) dans une atmosphère inerte ou réductrice. Nous avons étudié plusieurs conceptions et configurations de sources, et avons produit différentes nanostructures carbonées, comme des nanotubes à parois multiples, du nanobambou, des nanofibres et d'autres. Plusieurs procédés sont en compétition dans les conditions de réaction, et il est critique de contrôler les paramètres de la source afin d'obtenir une distribution étroite de particules catalytiques. Notre objectif est maintenant de produire des NCPS.

Notre objectif à long terme dans le domaine de la synthèse est de mettre au point des méthodes pour parvenir à contrôler le diamètre et la chiralité des nanotubes.

Le stockage de l'hydrogène dans les NCPS attire l'attention de la communauté mondiale, mais les résultats sont très controversés. On a signalé des taux d'adsorption de gaz allant de 0 à 60 % par poids. Nous avons étudié l'adsorption de l'hydrogène dans plusieurs échantillons de NCPS de diverses sources en collaboration avec des chercheurs de la Direction de recherches et de développement pour la défense (M. S. Desilets, Ph.D.), de l'Institut de recherche sur l'hydrogène (M. R. Chahine, Ph.D.), et du Programme des matériaux fonctionnels. Nos mesures indiquent un taux d'adsorption de moins de 1 % par poids à la température de la pièce. Ce résultat pourrait toutefois dépendre de façon importante des méthodes de traitement et de dopage des métaux utilisées, et nous étudions actuellement ces effets.

Nous sommes également intéressés à comprendre l'adsorption d'autres gaz dans et sur les NCPS. Le confinement d'un liquide dans des nanopores a d'importantes répercussions sur ses propriétés. Les NCPS conviennent parfaitement à ce genre d'études. Nous étudions les effets du confinement à l'aide de différents gaz.

Plusieurs des applications mentionnées ci-dessus exigent le développement de nouvelles stratégies de fonctionnalisation, de purification et de caractérisation. Nos travaux nous permettront d'acquérir l'expertise nécessaire pour développer ces capacités.

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