Les méthodes de croissance des nanotubes de carbone . 21

1.3.2.1 Les méthodes Hautes Températures

Les méthodes de synthèse hautes températures consistent à évaporer du

carbone graphitique à une température supérieure à 3200°C (température de

sublimation du graphite). Il est ensuite condensé dans une enceinte mise sous

pression à l’aide d’un gaz inerte où règne une fort gradient de température.

Les méthodes se différentient par la façon dont le graphite est vaporisé

Le premier type de vaporisation fût celui de l’arc électrique utilisé par

Iijima [32]. Elle consiste à établir un arc électrique entre deux électrodes de

graphite placées dans une enceinte. Un plasma chaud (environ 6000°C) se

forme sur l’anode et une phase carbonée dans laquelle se trouve des nanotubes

de carbone se dépose sur la cathode. Dans le même esprit, l’équipe de R.

Smalley développa la technique de l’ablation laser qui consiste à bombarder

une cible graphitique avec un laser de forte énergie [34]. Dans les deux cas, il

est possible de former des nanotubes monoparoi et multiparois. Cependant,

l’obtention des nanotubes monoparoi ne peut se faire uniquement que si des

métaux de transitions sont ajoutés dans la cible graphitique.

Les méthodes de synthèses à hautes températures permettent de former des

nanotubes de très bonne qualité mais nécessitent à posteriori des traitements

chimiques pour séparer les nanotubes des autres phases carbonées. En outre

ces méthodes ne sont pas facilement adaptables avec des techniques de dépôts

localisés nécessaires à la microfabrication des électrodes.

1.3.2.2 Les méthodes de croissance par CVD

Comme pour le diamant, la technique CVD consiste à craquer un gaz

précurseur carboné à l’aide d’un four, d’un filament chaud ou d’un plasma.

Pour former des nanotubes de carbone, un catalyseur doit être déposé sur

le substrat utilisé pour la croissance. Le catalyseur peut être un métal de

transition, une terre rare ou même des nanocristaux de diamant [35].

Aujourd’hui encore, les processus de croissance font débat. Nous donnons

les mécanismes reconnus comme les plus probables [36]. Les espèces

jusqu’à atteindre une valeur de saturation. Lorsque celle-ci est atteinte, le

carbone précipite et cristallise sous une forme graphitique cylindrique ne

pos-sédant aucune liaison pendante. Par la suite, si l’interaction entre la surface

et le catalyseur est faible, le métal est soulevé par la croissance du nanotube,

c’est le modèle tip-growth (voir figure 1.17a). Ce type de croissance s’arrête

lorsque la particule est sursaturée par un excès de carbone à la surface. Si

l’interaction est forte, la particule est retenue par le substrat et contraint la

cristallisation à se faire au-dessus du métal. On parle alors de base growth

(voir figure 1.17b). Les méthodes CVD permettent un dépôt direct et

loca-lisé de nanotubes sur le substrat. Elles sont donc très intéressantes pour les

techniques de microfabrication que nous souhaitons mettre en oeuvre

Figure 1.17 – Schéma des mécanismes Tip growth en (a) et Base growth en

(b). Figure adaptée de [36].

1.3.3 Les nanotubes de carbone en biologie

Les vingt années d’études intensives des nanotubes de carbone ont

per-mis leur implémentation dans de nombreuses applications dans le génie civil

(notamment dans la réalisation de composites), l’électronique, le stockage de

l’énergie et l’interface avec le vivant. Compte tenu de cette grande diversité

de domaines nous avons choisi de nous focaliser principalement sur les

appli-cations pour la biologie.

Dans un premier temps, les nanotubes de carbone étaient considérés comme

des nanomatériaux très prometteurs pour la vectorisation de médicament [37].

En effet, sa nature carbonée permet d’utiliser toute la chimie du carbone pour

des greffages potentiels. On peut alors greffer des molécules ainsi que des

marqueurs spécifiques des cellules à traiter. Cette méthode intéresse

particu-lièrement les oncologues pour cibler sélectivement les cellules cancéreuses pour

les traitements de chimiothérapie [38].

La très grande surface développée des nanotubes de carbone les rend

parti-culièrement adaptés pour la réalisation de biocapteurs dotés d’une très grande

sensibilité. Ils multiplient la surface active des électrodes permettant de

col-lecter plus efficacement le signal [39].

Aux cours des dernières années, les nanotubes connurent un formidable

essor dans le domaines des neurosciences. Mattson [40] a montré en premier

la possibilité de faire croître des neurones sur des nanotubes de carbone. Les

études qui suivirent ont mis en évidence que la flexibilité des nanotubes ainsi

que leur morphologie et leur taille sont favorables à la croissance des

cel-lules nerveuses [41],[42],[43], [44]. Ils améliorent drastiquement les relevés des

potentiels d’action par rapport à des électrodes conventionnelles en

augmen-tant le rapport signal sur bruit [12], [45] mais aussi la transmission du signal

[46] neuronal. En effet, la grande conductivité des substrats de nanotubes de

carbone semble stimuler l’activité des réseaux de neurones en modifiant leur

potentiel membranaire [47] ,[48].

Au vu de ces propriétés remarquables, plusieurs équipes ont utilisé les

nanotubes de carbone comme revêtement des matrices de microélectrodes pour

les études de la propagation des potentiels d’action au sein d’un réseau de

neurones [49], pour la collection de signaux neuronaux ainsi que la stimulation

sur de grandes surfaces [12]. Ils sont maintenant intégrés sur des substrats

souples [50],[51] pour améliorer le contact avec le tissu in-vivo et diminuer le

nombre de lésions dues aux contraintes mécaniques.

En marge de ces avancées dans le domaine des biotechnologies, de

nom-breuses études de toxicité des nanotubes de carbone évaluent leur impact sur

l’environnement et la santé [52],[53],[54],[55]. Elles montrent que plusieurs

pa-ramètres sont à prendre en compte. En effet la toxicité des nanotubes semble

dépendre de leur longueur [54], de leur terminaison de surface [56] et de leur

diamètre [57].

Cependant, l’ensemble de ces études sont menées sur des échantillons de

nanotubes de carbone dispersés dans l’organisme. La possibilité de faire croître

des cellules sur des substrats couverts de nanotubes et même d’améliorer leur

développement indique que, lorsqu’ils ne sont pas dispersés dans l’organisme,

ces derniers ne présentent pas de risques toxicologiques. Dans le cadre des

élec-trodes implantables, les nanotubes de carbone sont déposés sur un substrat et

non sous forme dispersée. Certains articles supposent donc que les problèmes

de toxicité pourraient être palliés si les nanotubes étaient fortement accrochés

sur leur substrat évitant ainsi leur dispersion [58]. Ainsi, plusieurs techniques

existent. Les plus anciennes consistent à coller les nanotubes sur le substrat à

l’aide de polymères ou bien en utilisant des couches d’accroches enterrées par

plasma [59], [60], [61], [62], [63].

Dans le document Matrices de microélectrodes tout diamant et composite diamant / nanotubes de carbone pour la neurophysiologie : du matériau aux composants d'interface (Page 36-39)