Les nanotubes de carbone dans les équipements sportifs, des avancées mécaniques possibles ? (TPE)

Résumé du document

[...] Mis en évidence en 1991 par Sumio Iijima, les nanotubes de carbone sont les véritables emblèmes de ces nanotechnologies qui commencent à inonder le marché actuel. Les nanotubes sont en effet déjà présents dans plusieurs produits industriels, du fait de leur incroyable faculté à renforcer des matériaux. Quelques chiffres suffisent pour les présenter : 100 000 fois plus fin qu'un cheveu, un nanotube de carbone est 100 fois plus résistant que l'acier, tout en étant 6 fois plus léger. L'intérêt de la recherche est de ce fait considérable : les nanotubes de carbone sont les nanostructures faisant l'objet du plus grand nombre de travaux de recherche dans le monde.

Parallèlement à cet engouement de l'ensemble de la communauté scientifique, le monde du sport connaît une véritable révolution depuis quelques décennies du fait de l'optimisation des équipements sportifs. Ces évolutions, d'ordre mécanique, contribuent à améliorer les performances sportives dans des disciplines telles que le golf, le cyclisme, les sports de raquette, et bien d'autres encore. Depuis une dizaine d'années, la structure de nombreux équipements sportifs de pointe a ainsi été renforcée par des nanotubes de carbone.

Dès lors, on peut s'interroger sur l'emploi des nanotubes de carbone dans les équipements sportifs : quelles sont les avancées mécaniques possibles ? Jusqu'où les caractéristiques des équipements sportifs peuvent-elles être améliorées ? Quelles sont les limites de ces nanotubes de carbone dans ce domaine d'application ?

Il est tout d'abord nécessaire de présenter les nanotubes de carbone en les replaçant dans la famille du carbone, et en étudiant leurs différentes structures ainsi que leurs caractéristiques dimensionnelles. Il sera ensuite possible d'analyser leurs propriétés mécaniques. Nous verrons si ces propriétés sont réellement exceptionnelles, en les comparant à celles d'autres matériaux. Enfin, nous détaillerons les différents modes d'incorporation des nanotubes de carbone dans des composites entrant dans la constitution d'équipements sportifs. Leurs propriétés sont-elles considérablement améliorées ? Nous considérerons les aspects et limites de cette utilisation (...)

Extraits

[...] Il s'agit là d'un marché potentiel de plusieurs milliers de milliards de dollars, tant les secteurs concernés sont nombreux, depuis l'électronique, la médecine et l'agroalimentaire jusqu'à l'armement, la haute technologie et les matériaux. Mis en évidence en 1991 par Sumio Iijima, les nanotubes de carbone sont les véritables emblèmes de ces nanotechnologies qui commencent à inonder le marché actuel. Les nanotubes sont en effet déjà présents dans plusieurs produits industriels, du fait de leur incroyable faculté à renforcer des matériaux. Quelques chiffres suffisent pour les présenter: fois plus fin qu'un cheveu, un nanotube de carbone est 100 fois plus résistant que l'acier, tout en étant 6 fois plus léger. [...]

[...] les nanotubes de carbone : Bien que la majeure partie des revues scientifiques attribue la découverte des nanotubes de carbone au Japonais Sumio Iijima, en 1991 (il s'agissait alors d'un sous-produit de la synthèse de fullerènes), il n'en reste pas moins que les nanotubes de carbone ont été observés dès 1952 par des chercheurs russes, puis en 1976 et 1981, cela ayant été rendu possible par l'usage du microscope électronique. Cependant, c'est à partir de 1991 que les nanotubes de carbone commencent à susciter un intérêt dans le monde de la recherche, à cause de leurs propriétés exceptionnelles et de leurs caractéristiques dimensionnelles. Un nanotube est formé d'un plan de graphène enroulé sur lui-même, refermé ou non à ses extrémités par des hémisphères. Il est de diamètre nanométrique (ordre de grandeur : 10-9m), et de longueur micrométrique (ordre de grandeur : 10-6m). [...]

[...] Hélicité d'un nanotube de carbone - 11 - 2. Caractéristiques dimensionnelles - 12 - II. Les propriétés mécaniques des nanotubes de carbone : des caractéristiques exceptionnelles ? - 14 - A. La grande élasticité des nanotubes de carbone - 14 - 1. Mesure de l'élasticité : de nombreuses expériences - 14 - 2. Conclusion de ces expériences - 16 - B. L'extraordinaire résistance à la déformation des nanotubes de carbone - 17 - 1. Des expériences pour mesurer la résistance mécanique - 17 - 2. [...]

[...] Il est donc légitime de présenter les nanotubes de carbone : s'agissant d'une variété allotropique du carbone, il semble utile de présenter la famille du carbone dans son ensemble. De plus, les nanotubes sont présents sous différentes structures, que nous détaillerons. Le paramètre d'hélicité, qui influe de manière directe sur les dimensions et propriétés du nanotube de carbone, est enfin une caractéristique majeure dont il convient de parler. Qu'est-ce qu'un nanotube de carbone ? La famille du carbone : différentes variétés allotropiques Le carbone est un élément chimique appartenant à la famille des cristallogènes : son symbole est son numéro atomique son nombre de masse A=12. [...]

[...] Un fullerène est une molécule composée d'atomes de carbone et qui prend une forme géométrique caractéristique de sphère, d'anneau ou de tube. Les fullerènes ont été découverts en 1985 par H. Kroto, R. Curl, et R. Smalley : ils ont obtenu le Prix Nobel de Chimie en 1996 pour leur découverte du C60. le C60 : on appelle aussi cette molécule Buckminsterfullerène footballène Modèle moléculaire du C60. Il s'agit d'une structure fermée constituée de 20 hexagones et de 12 pentagones n'ayant jamais un côté commun entre eux (on peut parler d'icosaèdre tronqué). [...]