Qu’est-ce qui est plus fin qu’un cheveu, mais plus solide que l’acier ?

Imaginez un matériau plus solide que l’acier, plus transparent que le verre, et plus fin qu’un cheveu humain. Indice : ce n’est pas de la kryptonite. Aida Rafat, assistante ingénieure chez ConocoPhillips qui a remporté la finale qatarie de notre concours international de communication scientifique FameLab, nous explique.

Qu’est-ce que le graphène ?

C’est le matériau le plus extraordinaire qui, en théorie, devrait relever de la science-fiction. Il a d’innombrables applications et des propriétés phénoménales, et a rendu les scientifiques très enthousiastes.

Cette substance merveilleuse bidimensionnelle provient d’une source simple. Le graphène est l’élément de base du graphite, une forme fondamentale de carbone et un minéral abondant. Le graphite est constitué de milliers de couches de graphène empilées les unes sur les autres. Nous le connaissons sous le nom de mine de crayon. Donc techniquement, chaque personne qui a déjà tracé une ligne avec un crayon a fabriqué du graphène.

Comment les scientifiques l’ont-ils découvert ?

Par accident. Et tout cela grâce à du ruban adhésif. En 2004, deux chercheurs de l’université de Manchester, Andre Geim et Kostantin Novoselov, travaillaient en laboratoire. Ils étudiaient les propriétés électriques du graphite et ont décidé d’utiliser du ruban adhésif pour voir s’ils pouvaient décoller des flocons plus fins. Ils ont continué à décoller de plus en plus de couches du flocon de graphite initial, jusqu’à ce qu’ils se rendent compte qu’ils avaient obtenu une couche d’un seul atome d’épaisseur. Ce qu’ils avaient créé était le graphène, et ils ont plus tard remporté le prix Nobel de physique 2010 pour leur découverte.

Qu’est-ce qui rend le graphène si spécial ?

Le graphène a des propriétés mécaniques, électriques, thermiques et optiques étonnantes et uniques.

Premièrement, il est solide. Les gens avaient l’habitude de penser que les matériaux bidimensionnels ne feraient que se désagréger. Mais en fait, le graphène est le matériau le plus solide qui ait jamais été testé : environ 200 fois plus solide que l’acier. Un hamac fait d’un mètre carré de graphène supporterait le poids d’un chat trapu de quatre kilos, mais ne pèserait que le poids d’une des moustaches du chat, soit 0,77 mg (environ 100 000 fois plus léger qu’un mètre carré de papier).

Deuxièmement, malgré sa formidable force, le graphène conserve sa flexibilité et son élasticité. Vous pouvez le plier, et il est transparent : deux caractéristiques très importantes en électronique, car cela signifie que vous pourriez l’utiliser pour fabriquer des écrans tactiles pliables et transparents pour les ordinateurs et les appareils mobiles.

Troisièmement, il conduit l’électricité brillamment. En fait, les électrons se déplacent plus rapidement à travers le graphène que dans tout autre matériau testé. Les scientifiques peuvent « doper » le graphène en lui ajoutant ou en lui retirant chimiquement des électrons. Plus on lui ajoute d’électrons, plus il peut produire de courant. Le graphène ‘dopé’ pourrait être encore meilleur conducteur d’électricité que le cuivre.

Quatrièmement, le graphène est super-imperméable, de sorte que même les plus petites molécules comme l’hélium ne peuvent pas y pénétrer. Cela pourrait être une caractéristique très importante, car cela nous permettrait d’utiliser le graphène pour séparer le liquide et le gaz.

Qu’est-ce qui est différent dans la structure du graphène ?

Le graphène a une structure très unique, comme un réseau en nid d’abeille d’atomes de carbone. Ce qui est inhabituel, c’est la façon dont ces atomes interagissent les uns avec les autres.

Un atome de carbone possède six électrons, dont quatre se trouvent dans sa coquille extérieure, prêts à se lier à d’autres atomes pour former des molécules. Mais dans le graphène, seuls trois de ces électrons se lient étroitement aux atomes voisins, créant une liaison extrêmement forte et serrée. Le quatrième électron reste non lié. Ces électrons non liés se comportent de manière très différente de la normale. Ils agissent comme des particules de lumière, ou photons, et se déplacent réellement à la vitesse de la lumière au-dessus de la feuille de graphène, donnant au graphène ses propriétés électriques phénoménales.

À quoi ressemble le graphène ?

On ne peut pas voir le graphène à l’œil nu. C’est le matériau le plus fin jamais découvert. Une feuille de graphène est 1 000 fois plus fine qu’un cheveu humain. En fait, les scientifiques qui l’ont découvert n’ont pu voir les flocons de graphène que parce qu’ils les avaient placés sur une plaquette d’oxyde de silicium. S’ils avaient utilisé un autre matériau, ils ne l’auraient peut-être même pas vu.

Le graphène est-il déjà utilisé pour quelque chose ?

Plusieurs grandes entreprises, comme IBM et Samsung, étudient de près le graphène. L’un des principaux défis auxquels l’industrie électronique est confrontée actuellement est que nous repoussons les limites des transistors en silicium (qui amplifient et conduisent les signaux électriques). En d’autres termes, comment pouvons-nous fabriquer des transistors en silicium de plus en plus petits, afin que les entreprises puissent produire des téléphones intelligents, des tablettes et des ordinateurs plus fins, mais aussi plus puissants ?

Le problème est que nous avons déjà atteint la limite de ce que nous pouvons faire avec les transistors en silicium. Nous ne pouvons tout simplement pas les rendre plus petits. Cependant, avec le graphène, il y a un grand potentiel pour aller plus loin, et même pour faire des écrans tactiles et de l’électronique transparents.

Ce n’est pas seulement les ordinateurs. L’une des applications commerciales actuelles à incorporer du graphène est une raquette de tennis d’une société appelée HEAD. La raquette semble être beaucoup plus puissante et beaucoup plus légère – deux choses essentielles à avoir dans une raquette de tennis idéale !

Quel autre usage pourrait-on faire du graphène à l’avenir ?

L’industrie des transports pourrait mélanger le graphène avec un matériau composite existant, pour fabriquer des avions et des voitures plus solides et plus légers. En raison de son imperméabilité, le graphène ferait également un excellent matériau de revêtement pour résister à la corrosion.

Mettez une couche de graphène sur du plastique, et vous avez un plastique électriquement conducteur. Ou encore, une entreprise d’électronique pourrait profiter de la flexibilité du graphène et l’utiliser pour fabriquer une tablette que vous pourriez plier comme un journal, ou un minuscule téléphone intelligent que vous pourriez coller à votre t-shirt.

Le graphène peut améliorer considérablement la durée de vie d’une batterie au lithium traditionnelle, en réduisant considérablement le temps de charge. Il peut être utilisé pour stocker l’énergie solaire, ou pour fabriquer des supercondensateurs (batteries géantes utilisées dans les voitures électriques et les ascenseurs).

Les scientifiques parlent également d’utiliser des filtres en graphène pour le dessalement, pour transformer l’eau de mer en eau potable, et comme système d’administration de médicaments pour le traitement du cancer.

Le graphène est-il breveté ?

Le brevetage du graphène est l’un des sujets les plus débattus en science. Le graphène lui-même ne peut pas être breveté, car il est dérivé du carbone – un matériau naturel. Qui plus est, les scientifiques connaissent le graphène depuis le 20e siècle, ils ne savaient simplement pas comment l’isoler.

Cependant, de nombreuses organisations ont breveté des dispositifs et des procédés de production de graphène. Je ne sais pas si les deux scientifiques qui ont découvert le graphène sont devenus riches en conséquence. Mais ils sont devenus extrêmement célèbres et ont remporté le prix Nobel. Leur article scientifique sur la découverte révolutionnaire du graphène a finalement été publié dans Science, et l’article lui-même a été classé parmi les 100 articles les plus cités de tous les temps. Il s’agit d’une réalisation dont rêve tout chercheur scientifique.

Aida Rafat est ingénieur adjoint chez ConocoPhillips. Vous pouvez la voir concourir lors de la finale internationale de FameLab les 8 et 9 juin 2016.