Qu’est-ce que le graphène? Voici ce que vous devez savoir

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Aujourd’hui, un nouveau matériau a le potentiel de changer l’avenir. Surnommé « supermatériau », le graphène incite les chercheurs du monde entier à mieux le comprendre. La longue liste de caractéristiques miraculeuses du graphène le rend presque magique, mais cela pourrait avoir des implications très réelles et drastiques pour l’avenir de la physique et de l’ingénierie.

Qu’est-ce que le graphène exactement ?

La façon la plus simple de décrire le graphène est qu’il s’agit d’une seule et fine couche de graphite – le matériau mou et feuilleté utilisé dans la mine des crayons. Le graphite est un allotrope de l’élément carbone, ce qui signifie qu’il possède les mêmes atomes mais ils sont disposés de manière différente, conférant au matériau des propriétés différentes. Par exemple, le diamant et le graphite sont tous deux des formes de carbone, mais ils ont des natures très différentes. Les diamants sont incroyablement résistants, tandis que le graphite est fragile. Les atomes de graphène sont disposés selon une disposition hexagonale.

Il est intéressant de noter que lorsque le graphène est isolé du graphite, il acquiert des propriétés miraculeuses. Il s'agit du premier matériau bidimensionnel jamais découvert, d'une épaisseur d'à peine un atome. Malgré cela, le graphène est également l’un des matériaux les plus résistants de l’univers connu. Avec une résistance à la traction de 130 GPa (gigapascals), il est plus de 100 fois plus résistant que l'acier.

L’incroyable résistance du graphène, malgré sa finesse, suffit déjà à le rendre étonnant, mais ses propriétés uniques ne s’arrêtent pas là. Il est également flexible, transparent, hautement conducteur et apparemment imperméable à la plupart des gaz et liquides. Il semble presque qu’il n’existe aucun domaine dans lequel le graphène n’excelle pas.

L'histoire du graphène: un rouleau de ruban adhésif et un rêve

Le graphite est une quantité connue depuis longtemps (les humains l'utilisent depuis le néolithique). Sa structure atomique est bien documentée et les scientifiques se sont longtemps demandé si des couches uniques de graphite pouvaient être isolées. Cependant, jusqu'à récemment, le graphène n'était qu'une théorie, car les scientifiques ne savaient pas s'il serait un jour possible de découper le graphite en une seule feuille de l'épaisseur d'un atome. Le premier échantillon isolé de graphène a été découvert en 2004 par Andre Geim et Konstantin Novoselov de l'Université de Manchester. On pourrait s’attendre à ce qu’ils aient isolé la substance légendaire à l’aide d’une machine massive et coûteuse, mais l’outil qu’ils ont utilisé était d’une simplicité amusante: un rouleau de scotch.

En utilisant du ruban adhésif pour polir un gros bloc de graphite, les chercheurs ont remarqué des flocons exceptionnellement fins sur le ruban. En continuant à décoller couche et couche des flocons de graphite, ils ont finalement produit un échantillon aussi fin que possible. Ils avaient trouvé du graphène. La découverte était si bizarre que le monde scientifique était au début sceptique. La revue populaire Nature ont même rejeté leur article sur l'expérience à deux reprises. Finalement, leurs recherches ont été publiées et, en 2010, Geim et Novoselov ont reçu le prix Nobel de physique pour leur découverte.

Applications potentielles

Si le graphène n’avait qu’un seul de ses nombreux traits superlatifs, il ferait l’objet d’intenses recherches sur ses utilisations potentielles. Remarquable à bien des égards, le graphène a inspiré les scientifiques à réfléchir à un large éventail d’utilisations de ce matériau, dans des domaines aussi variés que les technologies de consommation et les sciences de l’environnement.

Electronique flexible

En plus de ses puissantes propriétés électriques, le graphène est également très flexible et transparent. Cela le rend attrayant pour une utilisation dans l’électronique portable. Les smartphones et les tablettes pourraient devenir beaucoup plus durables grâce au graphène et pourraient même être pliés comme du papier. Les appareils électroniques portables ont récemment gagné en popularité. Avec le graphène, ces appareils pourraient être rendus encore plus utiles, conçus pour s'adapter parfaitement aux membres et se plier pour s'adapter à diverses formes d'exercice.

La flexibilité et la largeur microscopique du graphène offrent cependant des opportunités au-delà des simples appareils grand public. Cela pourrait également être utile dans la recherche biomédicale. De petites machines et capteurs pourraient être fabriqués avec du graphène, capables de se déplacer facilement et sans danger dans le corps humain, d'analyser les tissus ou même d'administrer des médicaments dans des zones spécifiques. Le carbone est déjà un ingrédient crucial dans le corps humain; un peu de graphène ajouté pourrait ne pas faire de mal.

Cellules solaires/photovoltaïques

Le graphène est à la fois hautement conducteur et transparent. En tant que tel, il présente un grand potentiel en tant que matériau dans les cellules solaires. En règle générale, les cellules solaires utilisent du silicium, qui produit une charge lorsqu'un photon frappe les matériaux, libérant ainsi un électron libre. Le silicium ne libère qu’un seul électron par photon qui le frappe. Des recherches ont montré que le graphène peut libérer plusieurs électrons pour chaque photon qui le frappe. En tant que tel, le graphène pourrait être bien meilleur pour convertir l’énergie solaire. D’ici peu, des cellules de graphène moins chères et plus puissantes pourraient produire une augmentation massive des énergies renouvelables.

Les propriétés photovoltaïques du graphène signifient également qu’il pourrait être utilisé pour développer de meilleurs capteurs d’image pour des appareils tels que des appareils photo.

Semi-conducteurs

En raison de sa conductivité élevée, le graphène pourrait être utilisé dans les semi-conducteurs pour augmenter considérablement la vitesse à laquelle les informations circulent. Récemment, le ministère de l’Énergie a mené des tests démontrant que les polymères semi-conducteurs conduisent l’électricité beaucoup plus rapidement lorsqu’ils sont placés sur une couche de graphène plutôt que sur une couche de silicium. Cela est vrai même si le polymère est plus épais. Un polymère de 50 nanomètres d’épaisseur, lorsqu’il est placé sur une couche de graphène, conduit une charge mieux qu’une couche de 10 nanomètres du polymère. Cela va à l’encontre de la sagesse antérieure selon laquelle plus un polymère est fin, mieux il peut conduire la charge.

Le plus grand obstacle à l’utilisation du graphène en électronique est son absence de bande interdite, l’écart entre les bandes de valence et de conduction dans un matériau qui, lorsqu’il est croisé, permet la circulation du courant électrique. La bande interdite est ce qui permet aux matériaux semi-conducteurs tels que le silicium de fonctionner comme des transistors; ils peuvent basculer entre isoler ou conduire un courant électrique, selon que leurs électrons sont poussés ou non à travers la bande interdite.

Les chercheurs ont testé diverses méthodes pour donner au graphène une bande interdite; en cas de succès, cela pourrait conduire à une électronique beaucoup plus rapide construite avec du graphène.

Filtration de l'eau

Les liaisons atomiques étroites du graphène le rendent imperméable à presque tous les gaz et liquides. Curieusement, les molécules d’eau font exception. Étant donné que l’eau peut s’évaporer à travers le graphène, contrairement à la plupart des autres gaz et liquides, le graphène pourrait être un outil de filtration exceptionnel. Des chercheurs de l’Université de Manchester ont testé la perméabilité du graphène à l’alcool et ont pu distiller des échantillons de spiritueux très forts, car seule l'eau contenue dans les échantillons était capable de passer à travers le graphène.

Bien entendu, l’utilisation du graphène comme filtre a un potentiel allant au-delà de la distillation d’alcools plus forts. Le graphène pourrait également être extrêmement utile pour purifier l’eau des toxines. Dans une étude publiée par la Royal Society of Chemistry, des chercheurs ont montré que le graphène oxydé pouvait même aspirer les matières radioactives telles que l'uranium et le plutonium présents dans l'eau, laissant le liquide exempt de polluants. Les implications de cette étude sont énormes. Certains des plus grands risques environnementaux de l’histoire, notamment les déchets nucléaires et le ruissellement chimique, pourraient être éliminés des sources d’eau grâce au graphène.

Alors que la surpopulation reste l’un des problèmes environnementaux les plus pressants au monde, le maintien des approvisionnements en eau potable ne fera que devenir encore plus important. En effet, la pénurie d’eau touche plus d’un milliard de personnes dans le monde, un nombre qui ne fera qu’augmenter compte tenu des tendances actuelles. Les filtres en graphène ont un immense potentiel pour améliorer la purification de l’eau, augmentant ainsi la quantité d’eau douce disponible. En fait, Lockheed Martin a récemment développé un filtre au graphène appelé « Perforene », qui, selon l'entreprise, pourrait révolutionner le processus de dessalement.

Les usines de dessalement actuelles utilisent une méthode appelée osmose inverse pour filtrer le sel de l’eau de mer. L'osmose inverse utilise la pression pour déplacer l'eau à travers une membrane. Afin de produire de grandes quantités d’eau potable, la pression nécessaire nécessite d’énormes quantités d’énergie. UN L'ingénieur de Lockheed Martin affirme leurs filtres Perforène pourraient réduire les besoins énergétiques cent fois moins que ceux des autres filtres.

Le MIT a créé du graphène avec des « nanopores »

La filtration est l’une des utilisations les plus évidentes du graphène, et les ingénieurs du MIT ont fait de grands progrès dans le perfectionnement de la capacité du graphène à séparer les molécules. En 2018, une équipe du MIT a mis au point une méthode pour créer de minuscules trous « par piqûre d’épingle » dans des feuilles de graphène. Les chercheurs du MIT utilisent une approche « roll-to-roll » pour produire du graphène. Leur configuration implique deux bobines: une bobine alimente une feuille de cuivre dans un four où elle est chauffée à la température ambiante. température appropriée, puis les ingénieurs ajoutent du méthane et de l'hydrogène gazeux, ce qui provoque essentiellement des flaques de graphène former. Le film de graphène sort du four et s'enroule sur la deuxième bobine.

En théorie, ce processus permet de former de grandes feuilles de graphène en un temps relativement court, ce qui est crucial pour les applications commerciales. Les chercheurs ont dû affiner le processus pour que le graphène se forme parfaitement et, fait intéressant, les tentatives imparfaites en cours de route se sont révélées utiles par la suite. Alors que l’équipe du MIT tentait de créer des pores dans le graphène, elle a commencé par utiliser du plasma d’oxygène pour les découper. Comme ce processus prenait du temps, ils voulaient quelque chose de plus rapide et se sont tournés vers leurs expériences précédentes pour trouver des solutions. En abaissant la température pendant la croissance du graphène, ils ont fait apparaître des pores. Ce qui est apparu comme des défauts au cours du processus de développement s’est avéré être un moyen utile de créer du graphène poreux.

Supraconductivité

Peu de temps après des scientifiques de Cambridge ont démontré que le graphène peut agir comme un supraconducteur (un matériau sans résistance électrique) lorsqu'il est associé à de l'oxyde de cuivre, de praséodyme, de cérium, des chercheurs du MIT découvert autre propriété étonnante: il peut apparemment fonctionner seul comme un supraconducteur, dans la bonne configuration. Les chercheurs ont empilé deux tranches de graphène, mais les ont décalées d’un angle de 1,1 degrés. Selon un rapport publié dans Nature, « le physicien Pablo Jarillo-Herrero du Massachusetts Institute of Technology (MIT) à Cambridge et son équipe ne recherchaient pas la supraconductivité lorsqu'ils ont mis en place leur expérience. Au lieu de cela, ils exploraient comment l’orientation surnommée l’angle magique pourrait affecter le graphène.

Ce qu’ils ont découvert, c’est que lorsqu’ils faisaient passer de l’électricité à travers la pile de graphène décalée, celle-ci fonctionnait comme un supraconducteur. Ce processus simple d'application d'électricité rend le graphène plus facile à étudier qu'une classe similaire de supraconducteurs, cuprates, bien que ces matériaux affichent une supraconductivité beaucoup plus élevée températures. La plupart des matériaux qui affichent une supraconductivité ne le font qu’à proximité d’une température du zéro absolu. Certains « supraconducteurs à haute température » peuvent afficher une supraconductivité à des températures autour de 133 Kelvin (-140 Celsius), ce qui est relativement élevé; le sulfure d'hydrogène, sous une pression suffisante, affiche la propriété à un -70 degrés Celsius miraculeux!

L'arrangement de graphène a dû être refroidi à 1,7 degrés au-dessus du zéro absolu. Cependant, les chercheurs considèrent que son comportement est similaire à celui des cuprates. ils espèrent donc que ce sera un matériau beaucoup plus facile pour étudier la supraconductivité non conventionnelle, qui est encore un sujet de grand désaccord entre les chercheurs. physiciens. Étant donné que la supraconductivité ne se produit généralement qu'à des températures aussi basses, les supraconducteurs ne sont utilisés que dans des machines coûteuses comme les appareils IRM, mais les scientifiques espèrent un jour trouver un supraconducteur fonctionnant à température ambiante, ce qui réduirait les coûts en supprimant le besoin de refroidissement unités.

Dans une étude publiée en 2019, les chercheurs ont montré comment la torsion de couches de graphène selon des angles « magiques » spécifiques peut produire des propriétés supraconductrices à des températures plus basses qu’auparavant.

Défense contre les moustiques

Peu de créatures sont aussi répugnantes que le moustique, avec ses piqûres qui démangent et sa tendance à propager d’horribles maladies comme le paludisme. Heureusement, des chercheurs de l’Université Brown ont trouvé une solution possible en utilisant le graphène. La recherche, publié en 2019, démontre qu'un film de graphène sur la peau empêche non seulement les moustiques de piquer, mais les dissuade même d'atterrir sur la peau. Une explication possible est que le graphène a empêché les moustiques de sentir leurs proies.

L'avenir de la recherche sur le graphène

Compte tenu de la liste apparemment infinie des atouts du graphène, on pourrait s’attendre à le voir partout. Pourquoi, alors, le graphène n’a-t-il pas été largement adopté? Comme pour la plupart des choses, c’est une question d’argent. Le graphène reste extrêmement coûteux à produire en grande quantité, ce qui limite son utilisation dans tout produit nécessitant une production de masse. De plus, lorsque de grandes feuilles de graphène sont produites, il existe un risque accru de minuscules fissures et autres défauts apparaissant dans le matériau. Aussi incroyable que puisse être une découverte scientifique, la réussite dépendra toujours de l’économie.

Mis à part les problèmes de production, la recherche sur le graphène ne ralentit en aucun cas. Les laboratoires de recherche du monde entier, y compris l'Université de Manchester, où le graphène a été découvert, déposent continuellement des brevets pour de nouvelles méthodes de création et d'utilisation du graphène. L'Union européenne a approuvé le financement d'un programme phare en 2013, qui financera la recherche sur le graphène destiné à être utilisé en électronique. Pendant ce temps, de grandes entreprises technologiques asiatiques mènent des recherches sur le graphène, notamment Samsung.

Les révolutions ne se produisent pas du jour au lendemain. Le silicium a été découvert au milieu du XIXe siècle, mais il a fallu près d’un siècle avant que les semi-conducteurs en silicium n’ouvrent la voie à l’essor des ordinateurs. Le graphène, avec ses qualités presque mythiques, pourrait-il être la ressource qui animera la prochaine ère de l’histoire humaine? Seul le temps nous le dira.

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