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Polymérisation des fullerènes dans les nanotubes de carbone : rien ne sert de pousser, il faut tourner à point !


Polymérisation des fullerènes dans les nanotubes de carbone : rien ne sert de pousser, il faut tourner à point !

M. Chorro (thèse), J. Cambedouzou et P. Launois, LPS.

Collaboration avec l’équipe de M. Monthioux au CEMES, Toulouse, S. Rols à l’ILL Grenoble et avec l’équipe de B. Sundqvist de l’université d’Umeå en Suède.

EuroPhysics Letters 79, 56003 (2007).

 

Le domaine du « carbone » a été marqué par les découvertes de deux nouveaux objets de dimensions nanométriques : celle des fullerènes en 1985, et celle des nanotubes monoparois, nano-cylindres découverts en 1993. L’observation de molécules de fullerènes dans les nanotubes en 1998 a offert aux chimistes et aux physiciens un nouvel objet d’étude « tout carbone »... Les nanostructures obtenues par l’insertion des fullerènes à l’intérieur des nanotubes sont appelées « cosses de petits pois » (« peapods » en anglais) puisqu’elles ressemblent à des cosses (les nanotubes) emplies de pois (les fullerènes). Différentes variétés de petits pois sont obtenues selon les molécules insérées, comme le C60, qui ressemble à un ballon de football, ou le C70, ballon de rugby, par exemple.

Le confinement des fullerènes dans les nanotubes a-t-il des conséquences sur leurs propriétés physico-chimiques ?

Nous avons choisi d’essayer de provoquer une réaction connue dans les cristaux tridimensionnels de fullerènes C60 et C70 : la polymérisation des fullerènes. Au cours de cette réaction, des liaisons chimiques covalentes se forment entre les fullerènes. Nous nous sommes placés dans les conditions de température et de pression nécessaires à la formation de chaînes polymères dans les cristaux, et avons montré, par diffusion des rayons X, que les molécules de C60 polymérisent dans les nanotubes, mais pas celles de C70.

Pourquoi ? Pour polymériser, les molécules doivent mettre face-à-face leurs double-liaisons, ce qui implique une orientation particulière des fullerènes C60 et C70, avec des contraintes géométriques plus importantes pour les C70 pour lesquels seules les doubles liaisons autour des pôles participent à la polymérisation. Nos résultats s’expliquent par des considérations simples. Les molécules de C60, sous les effets conjugués de la température et de la pression, se mettent en rotation et se rapprochent, ce qui augmente les chances de voir des liaisons covalentes se former entre deux fullerènes. Les molécules de C70, en revanche, n’ont pas assez de place dans les nanotubes pour se translater et tourner afin de se trouver dans la configuration qui leur permettrait de polymériser.

Cet exemple montre comment le confinement induit par la paroi d’un nanotube de carbone peut influer sur la chimie des fullerènes qu’il contient. Rien ne sert de pousser, il faut tourner à point !