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Le graphène, un matériau qui va transformer notre univers

La communauté scientifique et l’industrie du monde entier sont fascinées par un nouveau matériau qui, par ses extraordinaires propriétés et ses multiples applications pratiques, va sans nul doute modifier de nombreux aspects de notre vie : nous avons nommé le graphène.
  • Il rassemble toute une série de propriétés qui n’avaient jusqu’alors jamais été réunies dans d’autres matériaux.
  • Des écrans d’ordinateur transparents et flexibles, enroulables et pliables, transformables en téléphones et diversifiables à leur tour en différents écrans seront une réalité.
  • Aéronautique, médecine, télécommunications, production d’énergie…, le graphène sera présent dans tous les domaines de notre vie, et la rendra plus facile.

 

Puce en graphène.
Puce en graphène.

 

La communauté scientifique et l’industrie du monde entier sont fascinées par un nouveau matériau qui, par ses extraordinaires propriétés et ses multiples applications pratiques, va sans nul doute modifier de nombreux aspects de notre vie : nous avons nommé le graphène.

 

Qu’est qui rend le graphène si extraordinaire ?

Il s’agit d’un matériau transparent, extrêmement mince (le plus fin possible), très léger (0,77 milligrammes au mètre carré), imperméable, élastique, flexible et, en même temps, incroyablement résistant. Le graphène est le meilleur conducteur d’électricité connu à ce jour et, de plus, il se trouve en abondance dans la nature, ce qui le rend bon marché.

 

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Qu’est-ce que le graphène ?

 

En outre, des chercheurs de l’université de Manchester ont constaté récemment qu’il possède la capacité de s’auto-réparer. Autrement dit, si la structure d’une lamelle de graphène se brise, le matériau va attirer les atomes de carbone présents dans son environnement dont il a besoin et remplir les vides pour se réparer.

 

Composition chimique

Le graphène est fait d’une seule et unique couche d’atomes de carbone (il n’a qu’un atome d’épaisseur) disposés en forme de réseau hexagonal. Il est obtenu à partir du graphite naturel que l’on extrait des mines de charbon, celui dont on se sert, par exemple, pour faire des mines de crayons ou des freins d’automobiles. Il peut aussi être synthétisé.

 

Molécule de graphène.
Molécule de graphène.

 

Du point de vue chimique, il s’agit d’un allotrope de carbone, d’une mosaïque hexagonale plate (de type rayon de miel d’abeilles) formée d’atomes de carbone et de liens covalents formés à leur tour grâce à la superposition des hybrides sp2 des carbones entrelacés.

 

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Interview de K. Novoselov, l’un des découvreurs du graphène.

 

Le graphène a été découvert en 2004 par deux scientifiques d’origine russe, Andre Geim et Konstantin Novoselov. Mais ce n’est qu’en 2010, année pendant laquelle les deux chercheurs ont reçu le prix Nobel de physique, que la « fièvre du graphène » a commencé.

 

Applications

La stupéfiante polyvalence du graphène donne lieu à de multiples applications commerciales. De fait, celles-ci sont pratiquement illimitées. La liste ne cesse de s’allonger. En voici quelques exemples :

 

Transistor basé sur les hétéro-structures verticales du graphène (université de Manchester).
Transistor basé sur les hétéro-structures verticales du graphène (université de Manchester).

 

  • Disques durs capables d’emmagasiner 1 000 fois plus d’information.
  • Les semi-conducteurs sur lesquels s’appuient les ordinateurs ultrarapides de l’avenir (et qui remplacent le silicium).
  • Des écrans flexibles (enroulables et pliables, servant de base à plusieurs dispositifs) extrêmement fins, qui pourront s’intégrer à des systèmes de type « paiement sans contact ».
  • Des appareils photos et des caméscopes à vision nocturne.
  • Des batteries à durée de vie plus longue pour les téléphones portables, les ordinateurs et les voitures électriques (les électrodes de graphène font des batteries dix fois plus durables que celles que nous utilisons aujourd’hui pour recharger nos mobiles).
  • De nouveaux réseaux de télécommunication ultrarapides.

 

applications-of-graphene

 

  • Des ultra-condensateurs (pour les automobiles et les trains électriques, et pour améliorer le rendement des lignes de distribution électrique).
  • Des applications aéronautiques : pour des avions qui voleront bien plus vite et émettront moins de gaz nocifs dans l’atmosphère.
  • De puissants panneaux solaires, d’une efficacité de 42 % (actuellement, leurs cellules ne convertissent en électricité que 16 % de l’énergie qu’elles reçoivent).
  • Des téléviseurs OLED (Organic LED) qui seront fabriqués dans des matériaux organiques, plus respectueux de l’environnement.

 

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Vidéo sur les applications du graphène (Source : neoteo.com).

 

  • Des membranes efficaces, du point du vue énergétique, dans la production de gaz naturel et, de plus, dans la réduction des émissions de dioxyde de charbon des cheminées thermiques et des tuyaux d’échappement des véhicules.
  • Baisse du coût du processus de séparation du gaz dans la fabrication de plastiques et de combustibles.
  • Des applications médicales, comme la mise au point de nouveaux vaccins contre le cancer et de capteurs à tatouer sur les dents pour détecter des pathologies.

 

Mais ce n’est pas tout ! Le graphène constitue, de plus, une excellente base pour créer de nouveaux matériaux « sur mesure », adaptésà des besoins spécifiques. Ainsi, Elsa Prada, chercheuse à l’institut des sciences des matériaux de Madrid, rattaché au CSIC (conseil supérieur de la recherche scientifique, en Espagne) et qui a travaillé avec Novoselov, signale le fluorographène (équivalent bidimensionnel du téflon, aux extraordinaires propriétés lubrifiantes et isolantes), le nitrure de bore hexagonal (isolant cristallin et transparent, particulièrement dur, qui, associé au graphène, en améliore les propriétés électromécaniques), le disulfure de molybdène (autre cristal bidimensionnel aux propriétés très prometteuses pour la construction d’un nouveau type de transistors) ou encore le silicène (version du graphène en silicium qui possède certaines propriétés en commun avec le graphène et pourrait facilement s’intégrer à l’électronique actuelle, fondée sur le silicium).

 

Le graphène en Espagne et le projet Flagship de l’Union européenne

En Espagne, des chercheurs de haut niveau travaillent à l’étude du graphène. L’équipe espagnole du projet Flagship de l’Union européenne est aujourd’hui l’une des plus actives. À Saint-Sébastien, l’entreprise Graphenea, principale productrice de graphène de l’UE, est l’un des partenaires du projet, aux côtés d’entreprises telles que Philips, Varta, Nokia, ST Microelectronics, Repsol, Alcatel-Lucent et Airbus. Par ailleurs, l’une des plus grandes usines de production de graphène du monde sera prochainement bâtie à Yecla (dans la province espagnole de Murcie).

 

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Vidéo explicative du projet européen Flagship

 

Les difficultés auxquels il faut faire face

 

Les processus d’obtention de graphène à partir du graphite présentent encore une certaine complexité, de même que l’obtention de la pureté requise dans chaque cas, en fonction de l’application que l’on va faire du matériau. Mais résoudre ces inconvénients n’est qu’une question de temps : les avancées sont constantes et des publications telles que Science et Nature s’en font continuellement l’écho.

 

Sources :

Grafeno.com

CSIC (Conseil supérieur de la recherche scientifique, Espagne).

Graphene Flagship

Neoteo.com

Nature

Science

MIT(Massachusetts Institute of Technology).