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Les formes allotropiques du Carbone

L'histoire du fullerène: En 1985 trois chercheurs de l'Université de Rice à Houston découvre la troisième forme allotropique du carbone reconnue comme le fullerene, ceci etand découvert par Richard Smalley, Harold Kroto(professeur en Angleterre) et Robert Curl. Ils découvrirent la molécule de C60 qui créa un vif intérêt dans le domaine des nanoparticules. Ceci leurs donne l'expérience de vivre en gagnant un prix nobel(1996).

Cette famille de composés du carbone possède un minimum 60 atomes de carbone, formant des sphères carbonées où les atomes de carbone sont disposés en polyèdres semi-réguliers répartis sur la sphère.

L'histoire du nanotube:

La première observation réelle de nanotubes semble dater de 1952, deux hommes soviétique, Radushkevich et Lukyanovich, ont publié des images claires de tubes de carbone d'environ 50 nanomètres de diamètre dans le "Journal of Physical Chemistry4".

En 1979 Jonh Abrahamson démontre des preuves pour la première foit que des nanotubes existe réellement.

La découverte "officielle" étant faite par Sumio Lijima en 1993, Sumio Iijima et Donald S. Bethune d'IBM en Californie réussissent indépendamment à synthétiser des nanotubes monofeuillet.

Lijima obtient ses nanotubes monofeuillets en phase gazeuse et étant donner qu'il était le premier à faire cette expérience il est reconnu comme étant l'homme de découverte du nanotube.

L'histoire du graphite: Le graphite fut découvert en 1798 par un géologue allemand nommé Abraham Gottelieb Werner, le nom vient du grec graphien, qui veut dire écrire. Considérant sa dureté faible, d’entre 1 et 2 sur l’échelle de Mohs, il est un matériel avec une dureté faible utilisé pour l’écriture. Il est utilisé dans le marché de tous les jours dans des crayons à papier. Ce n’est pas jusqu’aux années 1900’ qu’on ait même commencé l’exploitation du graphite, centré dans la région de Madagascar et de l’Eurasie oriental. Aujourd’hui ont produit environs 15 000 tonne de graphite par années.

L'histoire du diamant: Le diamant se compose de carbone pur ayant subi une cristallisation géologique sous l’action conjointe de fusions à des températures très élevées, entre 1300 à 2000 degrés celcius, et d'une pressions très fortes exercées sur la roche mère contenant le carbone. Cela veut dire que le diamant ce forme plus de 150 km sous la terre ou qu'il y a de haute température et de haute pression. Les diamants sont remontés par des éruptions volcaniques très puissantes ne laissant pas le temps à la pierre de se transformer.On trouve les premières traces de diamant, utilisée pour sa dureté et servant à percer les perles, au Yemen en l’an 600 avant Jésus-Christ. Les premières évocations apparaissent dans un manuscrit sanskrit : « l’Artha-çastra » écrit par Kautilya, ministre de Chandragupta de la Dynastie Maurya (322-185 avant Jésus-Christ) où il est fait allusion à une pierre dont les caractéristiques pourraient correspondre au diamant.

Le carbone est un matériel très retrouver dans la planète terre, il est présent sur la planète Terre depuis sa formation, par contre il n'est pas directement décris lors de la nucléosynthèse primordiale.

Le carbone comprend trois isotopes stable dans la nature, ceux-ci sont C(12) (qui comprend 98,8% de la concentration de carbone), C(13) (qui comprend 1,1% de la concentration de carbone) et le C(14) (qui contient que des traces dans la nature). Dans le tableau périodique le carbone possède le numéro atomique 6, la masse atomique 12 et une électronégativité de 2,55. Ces mesures sont correspondant à l’isotope C(12), ceci a été choisi par rapport à la concentration de chaque isotope dans la nature, étend donner que le 12C est plus abondant, c’est celui-ci que les scientifiques ont choisi comme base de référence pour le calcul des masses atomiques des éléments.

L'histoire du graphène: le graphène est un cristal bidimensionnel (monoplan) de carbone dont l'empilement constitue le graphite. Il a été isolé en 2004 par Andre Geim, du département de physique de l'université de Manchester, qui a reçu pour cette découverte le prix Nobel de physique en 2010 avec Konstantin Novoselov. Il y a deux production possible: soit par extraction mécanique du graphite (graphène exfolié) dont la technique a été mise au point en 2004, ou par chauffage d'un cristal de carbure de silicium, qui permet la libération des atomes de silicium (graphène epitaxié).

Le diamant:

- Dans la structure du diamant les liaisons entre atomes de carbones résultent de la mise en commun des électrons de la couche périphérique afin de former des couches saturées. Chaque atome de carbone est associé de façon tétraédrique à ses quatre voisins les plus proches et complète ainsi sa couche extérieure.

- Ces liaisons covalentes sont tres fortes et donc difficiles à casser, cela couvrent tout le cristal, cela est d'où vient sa très grande dureté.

- La conductivité électrique est basse, car les électrons ne se regroupent pas comme dans un métal, ils restent liés aux atomes et ne peuvent pas crée un champ électrique extérieur, former un nuage électronique qui transporterait le courant de façon continue. En d'autres termes, le diamant est un très bon isolant mais pas du tout un bon conducteur.

-La conductivité thermique du diamant est exceptionnelle, ce qui explique pourquoi il paraît si froid au toucher.

- Le diamant possède plusieurs gros défauts pour l'industrie, tout d'abord, il est fragile, car sa dureté (inverse à l'élasticité) l'empêche d'absorber les chocs, il peut donc être brisé à force de chocs répétés. Contrairement aux idées reçues, ce n'est pas une bonne idee de le frapper avec un marteau, car il peut se briser.

-Le diamant est une des formes allotropiques du carbone solide. Il est métastable, c'est-à-dire en équilibre thermodynamique avec les autres formes allotropiques : assez pour exister en l'état dans les conditions normales mais pas assez pour le demeurer. Un fait intéressant est que un diamant peut devenir de maniere spontanee du graphite, la réaction étant favorisée thermodynamiquement par l'énergie de formation très basse du graphite, la forme la plus stable de toutes les formes du carbone. Ceci voulant dire que la transformation de diamant en graphite est trop lent d'ailleurs pour qu'il puisse être observé, d'où sa stabilité apparente. Par conséquent, cela veut dire que contrairement a ce que les gens disent, le diamant n'est pas éternel !

Les utilité du diamant: il y aura toujours le symbole dans les bijoux mais il est aussi utiliser en médecine. Il est utilisée dans les rayonnements dans les installations de radiothérapie. Le carbone du diamant est le même que celui du corps (carbone 12 normal) et permet donc des mesures de dose plus proche de la dose réellement reçue par les tissus.

Les nanotubes:

- D'un point de vue mécanique, ils présentent à la fois une excellente rigidité (mesurée par le module de Young), comparable à celle de l'acier, tout en étant incroyablement légers.

- Des points de vue électrique et optique, les nanotubes monofeuillets ont la particularité tout à fait exceptionnelle de pouvoir être soit métalliques soit semi-conducteurs en fonction de leur géométrie (toute dépendant du diamètre du tube et de l'angle d'enroulement de la feuille de graphène).

- Les nanotubes ont une conductivité supérieure à celle du cuivre et 70 fois supérieure à celle du silicium.

- Les nanotubes de carbone deviennent supraconducteurs à basse température.

- Les nanotubes de carbone pourraient également permettre de réaliser des émetteurs d'électrons à l'échelle du nanomètre.

- Il existe plusieurs procédés de synthèse. On peut citer deux grandes familles: les synthèses à haute température, et les synthèses à moyenne température, ou même par depositionement chimique de vapeur.

- il y a plusieurs utilités possible: dans les vêtements-possibilité de faire des vêtements (normaux) plus résistants et imperméables ou ces aussi possible de créer des vêtements autonettoyants, dans certains équipements sportifs pour remplacer la fibre de carbone (raquettes de tennis, vélos, kayaks…)

Le graphène:

-Une perspective d'avenir pour le graphène serait la fabrication d'une nouvelle génération de transistors ultra-rapides, de dimension nanométrique. De plus, il possède une excellente résistance mécanique de (42 milliards) newtons par mètre carré.

-En 2009 des scientifiques ont réussi à transformer en une opération réversible du graphène (conducteur électrique) en graphane (forme hydrogénée, isolante du graphène). D'autres applications concernant la fabrication d'écrans souples sont également envisagées dans le future.

-Il est un bon conducteur, sa structure de bande électronique fait que l'on peut qualifier le graphène de matériau semi-conducteur de gap nul.

-Le graphène étant un cristal bidimensionnel les électrons se déplacent sur le graphène à une vitesse de 1 000 km·s-1. Grâce encore à ses propriétés de cristal bidimensionnel et une capacité récemment découverte d'auto-refroidissement très rapide, ce qui veut dire que le graphène ne se réchauffe pas souvent.

-Sa grande résistance mécanique et chimique laisse augurer une bonne durée de vie et une faible perte de capacité après de multiples cycles de charges/décharges.

-La finesse des feuilles de graphène assurent une grande surface d'échange, c'est donc cette capacité à échanger des ions qui induit les performances des batteries, aussi bien en capacité énergétique qu'en vitesse pour les opérations de charge et de décharge.

-Sa très bonne conductivité réduit les risques d'échauffement, autorisant des charges plus rapides.

Le carbone est la base de la chimie organique, il y possède des milliers de composées organique, il y a tellement de composes et de molécule qu'ils ont basées une branche de science spécifique a la chimie organique. Par contre, savais tu que le carbone peut prendre place sous une grande variété de forme? Ceci comprend le graphite, le diamant, le fullerène, le nanotube et le graphène!

Le graphite:

- Le Graphite est une espèce minérale friable qui se trouve par exemple dans les mines de crayons. Sa structure est constituée de feuillets de graphènes empilés et séparés d'environ 0,335 nm.

- Dans chaque graphène les atomes de carbone sont organisés sur un réseau hexagonal, chaque atome est relié à trois atomes voisins par des liaisons covalentes d'une distance d'environ 0,142 nm. Mais au contraire les atomes reliés au plan voisin sont reliés par des forces Van Der Waals attractive, ces forces sont relativement faible ce qui explique la faible dureté du Graphite et les plans peuvent glisser les uns sur les autres.

- La densité du graphite est un tiers plus faible que celle du diamant et le définit comme un solide très anisotrope. Le terme anisotrope signifie que les propriétés varient suivant la direction: par exemple, en optique cristalline comme le graphite, dans un cristal anisotrope la vitesse de la lumière est fonction de sa direction de propagation. Sous le microscope optique, ce phénomène se traduit par l'apparition de couleurs, dans ce cas, de couleur gris métallique noir.

- Possède une conductivité d'un anisotrope.

- Le graphite est la forme de carbone stable à la température et à la pression ordinaires.

-L'apparence du graphite est celle d'un solide noir à l'éclat submétallique ; sa dureté est faible, entre 1 et 2 sur l'échelle de Mohs.

Utilités:

-Il est utilisé en médecine comme absorbant en cas d'intoxication par voie orale

-possède un usage militaire pour endommager les centrales électriques comme bombe au graphite

-dans les arts plastiques, il est utilisé pour le dessin. Il sert en particulier à fabriquer des crayons, souvent sous l'appellation incorrecte de « mine de plomb ».

-l'utilisation domestique la plus courante est le crayon.

-peut aussi être utilisé comme composite d'alliage (Titane / Fibre de verre / Aluminium) dans la fabrication des cadres de raquettes de tennis.

Le fullerène:

-Pour qu'un fullerène soit stable, les anneaux pentagonaux ne doivent pas être adjacents. D'une façon générale, on définit les fullerènes C2n comme étant des structures fermées composées de (2n-20)/2 hexagones et de 12 pentagones. La plus petite molécule sphérique répondant à cette définition est le C60. Cela est la base des fullerènes.

- Les fullerènes sont obtenus à partir du graphite vaporisé sous une atmosphère de gaz neutre, hélium ou argon, fait dans des température de 630degré celcius a 730 degré celcius. La température joue un role tres important dans la fabrication de cette molécule.

- Les fullerènes sont tres peut soluble dans l'eau.

- Leurs propriétés de structure, conductivité et lubrifiant font qu’ils sont utilisés dans plusieurs champs d’activités. Parmi ceux-ci, on retrouve les domaines de la pharmaceutique, des produits cosmétiques, de l’électronique et de la photovoltaïque.

-Plusieurs techniques de dosage sont utilisées dans le dosage des fullerènes, notamment la chromatographie liquide à haute performance par détection UV-vis et la chromatographie liquide à haute performance à détection par spectrométrie de masse en tandem.

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