Les nanotubes de nitrure de bore (BNNT) comptent parmi les nouveaux matériaux les plus prometteurs de la nanotechnologie. Comme leur nom l'indique, les BNNT présentent la même structure cylindrique que les nanotubes de carbone (CNT), mais leur disposition atomique est différente et leurs caractéristiques diffèrent.
C'est au milieu des années 1990 que les chercheurs ont commencé à identifier les BNNT. Depuis, ils ont rapidement suscité l'intérêt des spécialistes de nombreux domaines en raison de leurs fascinantes propriétés mécaniques, thermiques et électriques.
La structure, la synthèse, les propriétés et le large éventail d'applications des BNNT seront discutés, apportant la preuve de leurs capacités en tant que nanomatériau polyvalent pour l'avenir.
Propriétés structurelles et physiques des BNNT
Des tubes sans soudure constitués de feuilles de nitrure de bore hexagonal (HBN) à section transversale radiale sont enroulés en nanostructures cylindriques, connues sous le nom de BNNT.
Ils intègrent une structure proche du réseau du graphite, où les atomes de bore et d'azote se succèdent. On a découvert que ces nanotubes de bore sont stables grâce à la présence de fortes liaisons BN.
Contrairement aux nanotubes de carbone, les analogues de carbone des BNNT ne peuvent pas conduire l'électricité car ils possèdent une large bande interdite comprise entre 5,5 eV et 5,5 eV qui ne varie pas avec l'angle chiral ou le diamètre du tube.
En présentant les BNNT, on pourrait dire qu’il existe des contradictions en termes de propriétés présentées par les structures.
Stabilité à température élevée :
Les BNNT peuvent tolérer une température ambiante d'environ 900 °C, tandis que les nanotubes de carbone commencent à s'oxyder à près de 600 °C. Cela fait des BNNT de bons candidats pour les conditions de haute température.
Haute résistance mécanique :
Les BNNT présentent une résistance à la traction exceptionnelle avec des valeurs de module de Young par rapport à celles des nanotubes de carbone (environ 1,3 TPa). Ses effets piézoélectriques améliorent ses propriétés mécaniques lui permettant ainsi d'être utilisé dans les capteurs et actionneurs à l'échelle nanométrique.
Stabilité chimique et thermique :
La présence de fortes liaisons BN dans les BNNT confère une grande résistance à l'oxydation et à l'usure chimique. Ils présentent une grande endurance dans des environnements difficiles, notamment avec des bases et des acides forts.
Biocompatibilité :
Il est observé que la faible toxicité et la biocompatibilité des BNNT permettent leur utilisation en biomédecine visant le transport de médicaments, ou les biocapteurs, les implants inabales et les mécanismes.
Isolation électrique à haute conductivité thermique :
Tout comme leurs propriétés thermiques, les BNNT sont considérés comme de bons isolants électriques et possèdent une conductivité thermique élevée. Cela leur permet d'être utilisés efficacement pour la gestion thermique dans la formulation de différents systèmes électroniques.
Synthèse des BNNT
La synthèse de BNNT a été tentée par plusieurs méthodes, notamment la synthèse par flux gazeux, mais son déploiement à grande échelle est difficile. Certaines des méthodes les plus courantes sont décrites ci-dessous.
Dépôt chimique en phase vapeur (CVD) :
Dans ce procédé, une source de bore, telle que l'oxyde de bore ou les halogénures de bore, ainsi qu'une source d'azote, sont chauffées et décomposées pour former le dépôt requis. Le CVD permet de fabriquer des nanotubes de bore nanométriques (BNNT) de taille et de forme ajustables, avec un rapport d'aspect élevé.
Ablation au laser :
Une cible de bore en poudre est consommée à l'aide d'un laser haute puissance dans une enceinte remplie d'azote. L'azote fournit ensuite l'élément manquant pour créer des BNNT. Bien que cette technique soit efficace pour fabriquer des BNNT de haute qualité cristalline, son rapport coût/bénéfice ne favorise pas la production de masse.
Broyage à boulets et recuit :
Il s'agit d'une méthode en deux étapes : un tube de poudre de bore est d'abord broyé à boulets pour obtenir de petits granulés, puis la poudre de bore est chauffée sous azote pour synthétiser des BNNT. Cependant, cette méthode est moins coûteuse, les tubes obtenus sont plus courts, plus réguliers et moins nombreux.
Décharge d'arc plasma :
Dans cette technique, un arc plasma se forme entre deux électrodes de bore dans une atmosphère d'azote. Les températures élevées caractéristiques de l'arc plasma sont responsables de la croissance des nanotubes de bore non ferreux (BNNT). Des études suggèrent que cette procédure est efficace pour produire de grands volumes, mais la qualité peut différer.
Applications des nanotubes de nitrure de bore
En raison de leurs propriétés exceptionnelles, les BNNT conviennent à de nombreuses utilisations, depuis les applications électriques et thermiques jusqu'à l'ingénierie aérospatiale, en passant par la biomédecine.
1. Électronique et optoélectronique
Les BNNT sont des matériaux innovants offrant une grande fiabilité en électronique. Ils offrent une excellente isolation électrique et une excellente dissipation thermique. Les transistors haute fréquence obtiennent des performances améliorées grâce à l'ajout de BNNT, qui contribuent à atténuer le bruit électrique. Ces matériaux sont également utiles en électronique de puissance, car ils résistent à des températures très élevées sans perdre leur intégrité structurelle.
En optoélectronique, les BNNT offrent une surface optimale pour l'architecture des diodes électroluminescentes organiques (OLED), grâce à leur substrat à la fois transparent et durable. Ils améliorent également les performances des photodétecteurs en améliorant le transport de charge et la dissipation thermique.
2. Gestion thermique
Grâce à leur conductivité thermique élevée et à leur grande stabilité thermique, les BNNT sont également utiles pour la gestion thermique des dispositifs électroniques. La génération actuelle de dispositifs électroniques étant plus compacte et plus puissante, une dissipation thermique efficace est de plus en plus nécessaire pour éviter la surchauffe. Les BNNT peuvent être utilisés comme matériaux d'interface thermique, permettant le transfert de chaleur tout en assurant l'isolation électrique.
3. Composites et matériaux de structure. Les BNNT sont potentiellement les meilleurs éléments de renforcement des matériaux composites grâce à leurs propriétés mécaniques exceptionnelles. Grâce à leur incorporation dans les polymères, les métaux ou les céramiques, les chercheurs peuvent produire des matériaux composites légers, plus résistants, thermiquement stables et plus durables que les composites classiques.
Ces composites trouveraient une utilisation dans les secteurs de l’aérospatiale et de l’automobile où le poids des composants et les performances des matériaux sont d’une importance primordiale.
Par exemple, l'incorporation de BNNT dans les matrices polymères augmente considérablement la résistance mécanique, la conductivité thermique et la résistance aux radiations des matrices. Cette qualité leur permet de résister aux conditions extrêmement hostiles de l'espace.
4. Applications biomédicales
La biocompatibilité des BNNT permet leur utilisation dans de nombreux domaines biomédicaux. Grâce à leur grande surface d'administration, les BNNT peuvent également servir de systèmes d'administration de médicaments. Des biomolécules peuvent être utilisées pour enrober les BNNT afin de les intégrer efficacement dans les systèmes vivants.
De plus, en ingénierie tissulaire, les BNNT servent de support à la croissance cellulaire et à la reconstruction tissulaire. Leur grande résistance et leur biocompatibilité contribuent à la cicatrisation des plaies.
Les biocapteurs et les implants médicaux sont quelques-unes des applications des BNNT en raison de leur nature piézoélectrique. Ils génèrent des impulsions électriques lorsqu'une force externe est appliquée, ce qui permet également de détecter des changements dans l'organisme.
5. Stockage et production d'énergie
Les études sur les BNNT portent également sur leur utilisation comme matériaux pour les dispositifs de stockage d'énergie tels que les batteries ou les ultracondensateurs. La grande surface spécifique de ce matériau d'électrode synthétisé à partir de BNNT et sa stabilité contribuent à améliorer les performances en termes de capacité de stockage d'énergie et de durée de vie des dispositifs.
Les appareils portables alimentent l'une des applications des BNNT, la piézoélectricité, où ses matériaux peuvent transformer l'énergie mécanique sous des formes telles que les vibrations ou les mouvements du corps en énergie électrique.
6. Protection contre les radiations
Les BNNT possèdent également d'excellentes propriétés de radioprotection, notamment contre les rayonnements neutroniques. Cela ouvre la voie à leur utilisation dans des domaines tels que les missions spatiales, l'intérieur des réacteurs nucléaires et les machines de traitement du cancer. L'utilisation de BNNT sur des composites peut accroître la résistance du matériau aux rayonnements nocifs tout en améliorant sa conception.
7. Mécanismes sensoriels et éléments de transduction
Les propriétés piézoélectriques et semiconductrices des BNNT les rendent adaptés à la fabrication de capteurs et d'actionneurs à l'échelle nanométrique. Ces matériaux composites BNNT peuvent être soumis à des variations de pression, de contrainte ou d'environnement chimique à un degré particulier, avec une grande sensibilité et une réponse rapide, grâce à des capteurs de contrainte hautes performances.
Ces caractéristiques peuvent être exploitées dans la construction de capteurs minces et portables dans le but de capturer des indices physiologiques.
En résumé
Les nanotubes de nitrure de bore constituent une classe de matériaux nanométriques présentant un certain nombre de caractéristiques intéressantes. Leurs caractéristiques uniques, notamment une très grande stabilité thermique, des propriétés mécaniques élevées (permettant la biocompatibilité) et une isolation thermique, en font un matériau polyvalent pour un large éventail de domaines tels que l'électronique, la biomédecine, l'aérospatiale, etc.
Du point de vue de l’avenir, on peut dire que les attentes concernant les BNNT sont optimistes puisque les nouvelles façons de les synthétiser peuvent être intégrées à une meilleure compréhension de ces matériaux.
Les progrès de la nanotechnologie, associés au besoin de matériaux haute performance, vont très probablement déclencher encore plus de recherche et de développement dans le domaine des BNNT.