Mini-dossier: le graphène

On 15.10.2010, in Dossiers, by Alan Vonlanthen
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Si on consulte la page Wikipedia du graphène, voici ce qu’on lit:

Le graphène est un cristal bidimensionnel (monoplan) de carbone dont l’empilement constitue le graphite. Il fut 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.

Un cristal bidimensionnel, pas franchement parlant a priori… Regardons cela de plus près! Le graphène a tellement de potentiel qu’il rappelle un peu le laser au début des années 60: on tenait une technologie géniale, mais on ne savait pas trop quoi en faire… C’était une solution qui attendait son problème. Et des problèmes à résoudre pour le laser, on a en a trouvé un paquet depuis, des imprimantes à la chirurgie ophtalmique en passant par les lecteurs CD/DVD, les téléscopes, la fusion nucléaire contrôlée, l’épilation, les anti-missiles, les mesures de distance… Bref… On ne sait pas comment on ferait sans le laser aujourd’hui. Voir d’ailleurs à cet égard le tout premier épisode de “C’est pas faux!”, le podcast vidéo de notre ami Anh Tuan, qui traite justement du sujet.

Le graphène est sans doute promis à un avenir aussi brillant, alors creusons un peu! Le graphène est fait de carbone, le matériau de construction de la vie sur Terre, du diamant, du charbon, entre autres et notamment du graphite. Le carbone peut vraiment prendre les formes les plus extraordinaires! Le graphite, c’est ce minéral qu’on trouve dans les crayons (combiné à de l’argile)… La mine de crayon, quoi, qui contrairement à ce qu’on croit, ne contient plus de plomb depuis le XIXe siècle. Depuis qu’on utilise du graphite justement.

Eh bien quand on découpe ce graphite en tranches super-fines, des tranches épaisses d’un atome seulement, eh bien c’est ce qu’on appelle du graphène. D’où cette indication dans Wikipedia de cristal bidimensionnel: le graphène est tellement fin qu’il n’a qu’une largeur et une hauteur. Pas de profondeur. Ce qui est fait le matériau le plus fin et le plus solide qu’on connaisse sur Terre. Au microscope, c’est très beau à voir: les atomes de carbone sont reliés entre eux selon un pattern hexagonal, qui rappelle les alvéoles des ruches.

la structure alvéolaire du graphène

la structure alvéolaire du graphène

Le truc rigolo, c’est que pour obtenir ces tranches super fines, Andre Geim a utilisé du scotch!! Le graphène n’est pas le résultat d’une synthèse chimique, il existe dans la nature, mais pour l’obtenir, il a fallu séparer les millions de couches qui constituent le graphite (on sait aujourd’hui qu’on peut également l’obtenir en cuisant des blocs de carbure de silicium à 1400 degrés pendant 2 heures, mais à l’époque de la découverte, en 2004, André Geim et son équipe l’ont obtenue grâce à un morceau de graphite et un rouleau de scotch! Ils se sont aperçus que les couches scotchées étaient parfois épaisses d’un atome seulement! Ils venaient de découvrir le graphène, matériau incroyable qui fait rêver les scientifiques et les industriels car il pourrait révolutionner l’électronique et l’informatique.

  • Tout d’abord, le graphène est incroyable résistant. 100x plus résistant que l’acier tout en étant flexible;
  • Il est souple, peut se déformer et reprendre sa forme originale, comme un élastique;
  • D’autre part, le graphène est totalement transparent;
  • Accessoirement, c’est un excellent conducteur d’électricité. 1 million de fois plus efficace que le cuivre selon Andre Geim; les électrons s’y déplacent allègrement à la vitesse de la lumière;
  • C’est aussi un excellent conducteur thermique;
  • Enfin, il s’agit non seulement du seul matériau bidimensionnel qu’on connaisse, donc le plus fin , mais également du plus léger: 1 gramme de graphène suffirait à couvrir plusieurs terrains de football (encore faut-il trouver un sens à couvrir de graphène des terrains de foot ;-)

Un écran transparent super-résistant, étirable, conducteur d’électricité… On comprend que ça fasse rêver! On voit tout de suite les applications possibles… A commencer par des appareils électroniques souples et déformables,  des écrans tactiles, voire des écrans tactiles transparents géants à la Minority Report (enfin!), des cellules solaires, des téléviseurs muraux plus fins qu’une couche de peinture. Accessoirement, les atomes de carbone étant plus petits que le silicone, ce qui veut dire qu’on va pouvoir encore accélérer la miniaturisation des composants électroniques de manière impressionnante, d’autant plus que, comme l’a précisé Mathieu durant l’émission, il suffit d’enrouler une feuille de graphène sur elle-même pour obetenir un nanotube! On n’a pas fini de parler des nanotechnnologies dans Podcast Science!

Une autre propriété remarquable du graphène, c’est que si on en ajoute ne serait-ce qu’un pourcent dans du plastic, alors ce dernier devient lui aussi conducteur d’électricité. Et même avec moins d’un pourcent de graphène, on peut rendre le plastique plus résistant à la chaleur et plus solide!

Le graphène, c’est du carbone absolument pur. Aussi, n’importe quel atome de matière différente à la surface du graphène se remarque immédiatement par contraste. On peut imaginer une utilisation au niveau de nouveaux détecteurs ou senseurs qui pourraient détecter la plus petite particule de pollution…

Découverte absolument géniale qui va sans doute tout changer dans les toutes prochaines années. L’industrie s’y intéresse déjà de très près. Je pense que dans 10 ans déjà, on se demandera comment on a pu se débrouiller si longtemps  sans graphène et comment on ferait sans!

grenouille en lévitation (wikipedia)

Lévitation diamagnétique

Voilà, juste un dernier mot sur le découvreur, Andre Geim: en fait, d’autres de ses travaux avaient déjà été médiatisés il y a 10 ans et sanctionnés par un prix IG-Nobel (c’est une parodie du Prix Nobel, aux Etats-Unis, qui récompense des recherches qui respectent la démarche scientifique mais qui sont inutiles ou crades ou ridicules…) Et donc, le professeur Geim a été récompensé il y a dix ans pour avoir fait léviter des grenouilles à l’aide de puissants aimants géants. Certains sont prêts à tout pour faire avancer la science ;)

Bonus sur le graphène:

La présentation du professeur Geim (en anglais, 56:45 min)

Liens utiles:

http://www.science.gouv.fr/fr/actualites/bdd/res/3743/le-prix-nobel-de-physique-decerne-aux-decouvreurs-du-graphene/

http://en.wikipedia.org/wiki/Graphene

http://fr.wikipedia.org/wiki/Graph%C3%A8ne

http://fr.wikipedia.org/wiki/Nanotube_de_carbone

http://fr.wikipedia.org/wiki/Nanotechnologie

Update du 22 novembre 2010 (Merci Xavier Agnès): le graphène génère un effet Faraday imprévu

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