Qu’est-ce que le graphène ? Voici ce que vous devez savoir sur un matériau qui pourrait être le prochain silicium

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Graphène, un matériau émergent qui pourrait changer la façon dont les composants électroniques sont fabriqués et aider les performances informatiques à continuer de croître, est partout dans le monde de la recherche ces jours-ci.

Ce mois-ci seulement, des avancées ont suggéré qu’il pourrait stimuler les vitesses d’Internet, servir de revêtement tactile et prolonger la vie des ordinateurs. Il est plus solide que le diamant et conduit l’électricité et la chaleur mieux que tout autre matériau jamais découvert, et il jouera probablement un rôle important dans de nombreux produits et processus à l’avenir.

Qu’est-ce que le graphène ?

Le graphène est constitué d’une seule couche d’atomes de carbone qui sont liés ensemble dans un motif répétitif d’hexagones. Le graphène est un million de fois plus fin que le papier ; si fin qu’il est en fait considéré comme bidimensionnel.

Le carbone est un élément incroyablement polyvalent. Selon la façon dont les atomes sont disposés, il peut produire des diamants durs ou du graphite mou. Le motif plat en nid d’abeille du graphène lui confère de nombreuses caractéristiques inhabituelles, dont le statut de matériau le plus solide au monde. James Hone, professeur d’ingénierie mécanique à l’université Columbia, a déclaré un jour qu’il était « si solide qu’il faudrait un éléphant, en équilibre sur un crayon, pour briser une feuille de graphène de l’épaisseur d’un Saran Wrap », selon l’université.

Ces couches uniques d’atomes de carbone constituent la base d’autres matériaux importants. Le graphite – ou mine de crayon – se forme lorsque vous empilez du graphène. Les nanotubes de carbone, qui sont un autre matériau émergent, sont faits de graphène enroulé. Ils sont utilisés dans les vélos, les raquettes de tennis et même l’ingénierie des tissus vivants.

Comment a-t-il été découvert ?

Il y a de bonnes chances que vous ayez fabriqué du graphène plusieurs fois dans votre vie. Tracez une ligne avec un crayon et de petits morceaux de graphène s’écailleront. Mais personne n’avait à la fois les outils et l’intérêt pour isoler de manière fiable le graphène libre jusqu’au début des années 2000.

Le graphène a été étudié pour la première fois de manière théorique dans les années 1940. À l’époque, les scientifiques pensaient qu’il était physiquement impossible qu’un matériau bidimensionnel existe, ils n’ont donc pas poursuivi l’isolement du graphène. Des décennies plus tard, l’intérêt s’est accru et les chercheurs ont commencé à imaginer des techniques permettant de découper le graphite. Ils ont essayé de coincer des molécules entre les couches de graphène et de gratter et frotter le graphite, mais ils n’ont jamais réussi à atteindre une seule couche. Finalement, ils ont réussi à isoler le graphène sur d’autres matériaux, mais pas seul.

En 2002, Andre Geim, chercheur à l’université de Manchester, s’est intéressé au graphène et a mis au défi un étudiant en doctorat de polir un morceau de graphite pour obtenir le moins de couches possible. L’étudiant a réussi à atteindre 1 000 couches, mais n’a pas pu atteindre l’objectif de Geim, qui était de 10 à 100 couches. M. Geim a essayé une autre méthode : le ruban adhésif. Il l’a appliqué sur du graphite et l’a décollé pour créer des paillettes de graphène en couches. D’autres pelures de ruban adhésif ont créé des couches de plus en plus fines, jusqu’à ce qu’il obtienne un morceau de graphène de 10 couches d’épaisseur.

L’équipe de Geim a travaillé à affiner sa technique et a fini par produire une seule couche d’atomes de carbone. Ils ont publié leurs résultats dans « Science » en octobre 2004. Geim et son collègue Kostya Novoselov ont reçu le prix Nobel de physique en 2010 pour leurs travaux.

Depuis ces premiers flocons fabriqués avec du ruban adhésif, la production de graphène s’est améliorée à un rythme rapide. En 2009, les chercheurs ont pu créer un film de graphène qui mesurait 30 pouces de diamètre.

Pourquoi est-ce inhabituel ?

L’article de Geim et Novoselov a suscité un intérêt fou chez les autres scientifiques en raison de sa description des propriétés physiques étranges du graphène. Les électrons se déplacent à travers le graphène incroyablement rapidement et commencent à présenter des comportements comme s’ils étaient sans masse, imitant la physique qui régit les particules à des échelles super petites.

« Ce type d’interaction à l’intérieur d’un solide, pour autant que l’on sache, est unique au graphène », ont écrit Geim et un autre célèbre chercheur sur le graphène, Philip Kim, dans un article du Scientific American de 2008. « Grâce à ce matériau inédit issu d’un crayon, la mécanique quantique relativiste n’est plus confinée à la cosmologie ou à la physique des hautes énergies ; elle est désormais entrée dans le laboratoire. »

Les propriétés spéciales du graphène ne s’arrêtent pas à une physique bizarre. Il est aussi:

• Conducteur : Les électrons sont les particules qui composent l’électricité. Ainsi, lorsque le graphène permet aux électrons de se déplacer rapidement, il permet à l’électricité de se déplacer rapidement. Il est connu pour déplacer les électrons 200 fois plus vite que le silicium car ils voyagent avec si peu d’interruption. Le graphène est également un excellent conducteur de chaleur. Le graphène est conducteur indépendamment de la température et fonctionne normalement à température ambiante.
• Fort : Comme mentionné précédemment, il faudrait un éléphant avec un excellent équilibre pour briser une feuille de graphène. Il est très solide en raison de son motif ininterrompu et des liens solides entre les atomes de carbone. Même lorsque des plaques de graphène sont cousues ensemble, il reste le matériau le plus solide qui soit.
• Flexible : Ces liaisons fortes entre les atomes de carbone du graphène sont également très flexibles. Elles peuvent être tordues, tirées et courbées dans une certaine mesure sans se rompre, ce qui signifie que le graphène est pliable et étirable.
• Transparent : Le graphène absorbe 2,3 pour cent de la lumière visible qui le frappe, ce qui signifie que vous pouvez voir à travers lui sans avoir à faire face à un quelconque éblouissement.

À quoi peut-il être utilisé ?

L’utilisation du graphène dans la vie quotidienne n’est pas loin, en partie grâce aux recherches existantes sur les nanotubes de carbone – la version cylindrique enroulée du graphène. Les tubes ont été popularisés par un article de 1991 (abonnement requis) et vantés pour leurs incroyables qualités physiques, dont la plupart sont très similaires au graphène. Mais il est plus facile de produire de grandes feuilles de graphène et il peut être fabriqué de manière similaire au silicium. Bon nombre des applications actuelles et prévues pour les nanotubes de carbone sont maintenant adaptées au graphène.

Certaines des plus grandes applications émergentes sont :

• Les cellules solaires : Les cellules solaires reposent sur des semi-conducteurs pour absorber la lumière du soleil. Les semi-conducteurs sont constitués d’un élément comme le silicium et possèdent deux couches d’électrons. A une couche, les électrons sont calmes et restent à côté du semi-conducteur. Dans l’autre couche, les électrons peuvent se déplacer librement, formant un flux d’électricité. Les cellules solaires fonctionnent en transférant l’énergie des particules de lumière aux électrons calmes, qui deviennent excités et sautent vers la couche à flux libre, créant ainsi plus d’électricité. Les couches d’électrons du graphène se chevauchent en fait, ce qui signifie qu’il faut moins d’énergie lumineuse pour que les électrons sautent entre les couches. À l’avenir, cette propriété pourrait donner naissance à des cellules solaires très efficaces. L’utilisation du graphène permettrait également d’obtenir des cellules qui sont des centaines de milliers de fois plus fines et plus légères que celles qui reposent sur le silicium.

  

• Transistors : Les puces informatiques reposent sur des milliards de transistors pour contrôler le flux d’électricité dans leurs circuits. La recherche s’est surtout attachée à rendre les puces plus puissantes en y intégrant davantage de transistors, et le graphène pourrait certainement donner naissance aux transistors les plus fins à ce jour. Mais les transistors peuvent également être rendus plus puissants en accélérant le flux d’électrons, les particules qui composent l’électricité. Alors que la science s’approche de la limite de la taille des transistors, le graphène pourrait repousser la limite à la fois en déplaçant les électrons plus rapidement et en réduisant leur taille à quelques atomes ou moins.
• Écrans transparents : Les appareils tels que les téléviseurs à plasma et les téléphones sont couramment recouverts d’un matériau appelé oxyde d’indium et d’étain. Les fabricants recherchent activement des alternatives qui pourraient réduire les coûts et offrir une meilleure conductivité, flexibilité et transparence. Le graphène est une option émergente. Il est non réfléchissant et semble très transparent. Sa conductivité le qualifie également comme revêtement pour créer des dispositifs à écran tactile. Parce que le graphène est à la fois solide et mince, il peut se plier sans se casser, ce qui en fait un bon choix pour l’électronique pliable qui arrivera bientôt sur le marché.

Le graphène pourrait également avoir des applications pour les capteurs d’appareils photo, le séquençage de l’ADN, la détection des gaz, le renforcement des matériaux, le dessalement de l’eau et au-delà.

Quelles sont les critiques?

Le graphène est encore à un stade infantile par rapport aux matériaux développés comme le silicium et l’ITO. Pour qu’il soit largement adopté, il devra pouvoir être produit en grande quantité à des coûts égaux ou inférieurs à ceux des matériaux existants. Les techniques de production émergentes (roll-to-roll, dépôt en phase vapeur, etc.) laissent entrevoir la possibilité d’y parvenir, mais elles ne sont pas encore prêtes à apporter du graphène sur tous les écrans des appareils mobiles. Les chercheurs devront également continuer à travailler pour améliorer la transparence et la conductivité du graphène dans sa forme commerciale.

Bien que le graphène soit prometteur pour les transistors, il a un problème majeur : il ne peut pas  » éteindre  » le flux d’électricité comme des matériaux tels que le silicium, ce qui signifie que l’électricité circulera constamment. Cela signifie que le graphène ne peut pas servir de transistor à lui seul. Les chercheurs explorent maintenant des moyens de l’ajuster et de le combiner avec d’autres matériaux pour surmonter cette limitation. Une technique consiste à placer une couche de nitrure de bore – un autre matériau d’un atome d’épaisseur – entre deux couches de graphène. Le transistor ainsi obtenu peut être allumé et éteint, mais la vitesse des électrons est quelque peu ralentie. Une autre technique consiste à introduire des impuretés dans le graphène.

Le graphène pourrait également émerger trop tard pour bon nombre de ses applications possibles. Les batteries des voitures électriques et la fibre de carbone pourraient être fabriquées avec du graphène, mais elles reposent déjà sur le charbon actif et le graphite, respectivement – deux matériaux très bon marché. Le graphène restera plus cher pour le moment, et pourrait ne jamais être assez bon marché pour convaincre les fabricants de changer.

Le monde n’en est qu’à une décennie d’exploration de ce qu’il peut faire avec le graphène. En revanche, le silicium existe depuis près de 200 ans. Au rythme où évolue la recherche, nous pourrions savoir très bientôt si le graphène deviendra omniprésent ou s’il ne sera qu’une étape supplémentaire dans la découverte du prochain matériau miracle.