TECHNOLOGIE – Graphène, le « matériau miracle »

Minh Nguyen — Programme de maîtrise en chimie

TECHNOLOGIE – Graphène, le « matériau miracle »

Le carbone est un élément chimique fascinant du tableau périodique. Il est l’atome de base de l’ADN et de toutes les molécules (dites organiques) des êtres vivant sur Terre. Le carbone pur peut se retrouver sous plusieurs formes. L’une d’entre elles est le graphite, soit un empilement de plusieurs feuilles de carbone les unes par-dessus les autres. Plusieurs chercheurs ont essayé d’obtenir une feuille unique de carbone à base de graphite, mais il a fallu attendre au début du 21e siècle pour réussir à isoler cette feuille aujourd’hui appelée le graphène. L’attente en valait la peine : ce dernier présente des propriétés étonnantes et inhabituelles comparativement aux autres formes du carbone.

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Figure 1 : Représentation de la structure du graphène et des autres formes graphitiques. Les boules aux coins des hexagones représentent un atome de carbone. Les côtés de l’hexagone représentent une liaison carbone-carbone. Le graphène est à la base de plusieurs formes graphitiques telles que le buckminsterfullerène, le nanotube de carbones ou le graphite.

Source : Shutterstock.com

Le graphène est défini comme étant une couche bidimensionnelle (2D) composée uniquement d’atomes de carbone arrangés en hexagone, à la façon d’un motif de nid d’abeille[1] (voir la figure 1). En d’autres mots, il s’agit d’une feuille de carbone d’à peine un atome d’épaisseur, soit le millionième du diamètre d’un cheveu humain.

Le graphène est à la base de toutes les formes graphitiques, car son motif 2D de base peut adopter plusieurs structures différentes, dont chacune possède des propriétés uniques tout aussi intéressantes : il peut en effet s’enrouler pour créer une sphère de carbone, connue sous le nom de buckminsterfullerène (une molécule en C60 considérée en physique moderne comme étant un système 0D), il peut se plier pour donner des nanotubes de carbone (système 1D), déjà très étudiés, ou s’empiler pour former du graphite (système 3D)[2].

Les systèmes 2D, comme le graphène, sont étudiés théoriquement depuis plus d’un siècle, mais les scientifiques ont longtemps cru qu’une telle structure ne pouvait exister réellement. Il a fallu attendre en 2004 pour qu’une équipe de l’Université de Manchester réussisse à isoler le graphène. Le procédé utilisé s’est pourtant avéré très simple : en tirant sur du ruban adhésif appliqué sur la surface du graphite, le graphène est isolé par exfoliation. Cette méthode insolite pour obtenir le graphène a valu aux chercheurs André Geim et Konstantin Novoselov le prix Nobel de physique en 2010 pour leurs « expériences révolutionnaires sur le matériau bidimensionnel nommé graphène[3] » (notre traduction).

Il est par ailleurs intéressant de savoir qu’André Geim avait auparavant gagné le prix Ig Nobel (prix parodique pour des découvertes et réalisations bizarres, drôles ou absurdes) de physique en 2000 pour avoir fait léviter une grenouille avec des aimants, faisant de lui la première personne à obtenir à la fois un prix Nobel et un prix Ig Nobel[4]!

La petite couche d’un seul atome d’épaisseur isolée par Geim et Novoselov s’est avérée le premier matériau véritablement bidimensionnel découvert. Il est en outre le matériau solide à la fois le plus mince et le plus léger.

Mais son arrangement hexagonal, le comportement des électrons dans une telle structure et la nature des liaisons entre les atomes qui le composent sont ce qui donne au graphène des propriétés extraordinaires et uniques, qui lui confèrent une multitude d’applications possibles.

Dans cet article, nous allons passer en revue les nombreuses propriétés exploitables du graphène — propriétés mécaniques, électroniques et chimiques — en expliquant en détail comment il est possible d’introduire celui-ci dans différents objets que nous utilisons tous les jours et pourquoi le graphène est un matériau qui révolutionne grandement la science.

Un matériau aux propriétés physiques extraordinaires

Le graphène, malgré le fait qu’il soit composé d’une seule couche d’atomes, est considéré comme le matériau le plus solide qui soit : il possède une résistance à la rupture 100 fois supérieure à celle d’une couche d’acier de la même épaisseur, c’est dire qu’il est encore plus fort que le diamant! À titre de comparaison, André Geim a expliqué pendant la cérémonie de remise du prix Nobel qu’une feuille de graphène d’une surface de un mètre carré soutiendrait un chat de 4 kg, alors que cette feuille n’aurait elle-même que le poids d’une moustache du chat[5].

Cependant, le problème avec ce type de matériau se trouve dans sa nature cristalline, qui fait en sorte qu’il craque et se casse immédiatement lorsqu’une force lui est appliquée. En effet, le graphène absorbe très mal les chocs à cause de sa très grande dureté. Ce n’est pas le cas des matériaux plus élastiques, de nature amorphe, qui sont assez malléables, comme le caoutchouc.

Pour régler ce problème de fragilité, le graphène peut cependant être combiné avec une phase amorphe. En d’autres termes, il s’agit de construire un « sandwich » moléculaire dans lequel les tranches de pain sont des feuilles de graphène et la garniture une phase amorphe constituée d’un polymère, une autre classe de matériaux dont les molécules sont de longues chaînes, par exemple le caoutchouc ou le plastique. Cette phase absorbera le choc, solidifiant ainsi la nouvelle structure à base de graphène. Un tel « sandwich » de un mètre carré pourrait supporter un poids plus élevé que celui d’un chat. Cette solution est inspirée de la soie d’araignée, du kevlar ou de nombreuses nanoargiles hybrides, car ces matériaux sont construits par l’empilement de plusieurs phases les unes par-dessus les autres. L’inverse est d’ailleurs également envisageable : ajouter le graphène à un polymère pourrait augmenter la dureté de celui-ci, rendant du coup le plastique plus solide.

De plus, le graphène est le matériau qui, à ce jour, possède la meilleure conduction thermique mesurée, à savoir qu’il est vingt fois meilleur conducteur que l’aluminium en rouleau que nous utilisons pour la cuisine. Ainsi, l’ajout du graphène dans des polymères ou des alliages de métaux améliorerait de façon extraordinaire leur thermostabilité, les rendant encore plus résistants aux très hautes températures ou aux explosions[6].

Ces remarquables propriétés mécaniques font que le graphène devient très attirant pour la création de nouveaux matériaux composites super-résistants. Il devient possible d’en incorporer dans les vêtements, par exemple pour accroître la protection offerte par les gilets pare-balles et en réduire le poids. Aussi, un polymère auquel serait ajouté du graphène pourrait servir à construire une coque très solide et ultralégère pour un avion. Nous pourrions même imaginer, dans une application qui relève davantage de la science-fiction, que le graphène soit utilisé dans la construction d’un ascenseur spatial destiné à remplacer les navettes qui se rendent jusqu’aux stations orbitant autour de la Terre[7].

Le graphène pourrait également d’ici peu se tailler une place dans nos moments les plus intimes : en 2013, la Fondation Bill et Melinda Gates a en effet alloué  à des scientifiques travaillant sur ce matériau une somme de  100 000 $ pour créer des condoms à la fois plus résistants et plus minces en ajoutant du graphène dans le latex[8].

Des applications à l’électronique du futur

Le graphène est surtout étudié en physique pour ses propriétés électroniques uniques. Il possède une structure particulière à cause du comportement des électrons dans le système bidimensionnel, ce qui fait en sorte qu’il conduit très bien l’électricité, contrairement au carbone organique. Les électrons se déplacent extrêmement rapidement dans la structure du graphène, soit à une vitesse allant jusqu’à 1 000 km/s, sans jamais perdre d’énergie, et ce, même à la température ambiante. C’est au moins dix fois plus rapide que les électrons du silicium, qui avait déjà révolutionné le monde de l’électronique[9].

Ces propriétés électroniques particulières mettent le graphène au premier plan pour la création d’une nouvelle génération de transistors ultrarapides réglés à l’échelle du nanomètre. Ainsi, dans une dizaine d’années, nous commencerons probablement à voir du graphène dans les circuits intégrés des ordinateurs ou dans d’autres appareils électroniques, qui vont à la fois devenir plus performants et plus petits. Albert Fert, lauréat du prix Nobel de physique en 2007 et récipiendaire d’un doctorat honoris causa de l’Université de Montréal, propose l’utilisation du graphène pour améliorer la transmission et la conservation de l’information dans les nouvelles technologies de stockage informatiques, augmentant ainsi de manière importante la mémoire des appareils électroniques, tout en rendant ceux-ci moins énergivores[10].

Il faut également noter que le graphène est transparent en raison de sa faible épaisseur. La possibilité de combiner cette propriété optique avec une très grande conductivité électrique fait de ce matériau une option de choix pour la conversion d’énergie (transformer l’électron en lumière), une application intéressante pour les écrans tactiles, les écrans à cristaux liquides, les écrans plasma, etc. En effet, les écrans actuels de téléphones cellulaires ou d’ordinateurs sont toujours rigides, à cause de certaines composantes encore trop épaisses et pas assez performantes (elles conduisent moins bien les électrons et convertissent moins efficacement l’électron en lumière). L’application du graphène aux écrans pour remplacer ces composantes permettrait aux appareils d’être plus légers, plus flexibles (voire malléables) et moins énergivores. De plus, l’image affichée sur l’écran serait d’une clarté nettement supérieure. C’est pour cela que les grands fabricants tels que Samsung et Nokia se livrent une lutte féroce quant à l’emploi du graphène dans différents appareils[11]. Cette propriété de conversion d’énergie peut aussi être mise à profit pour rendre les panneaux solaires plus performants[12].

Des scientifiques ont de plus découvert que le graphène pouvait absorber les radiations électromagnétiques. En effet, deux équipes de l’Université Queen Mary et de l’Université de Cambridge ont empilé plusieurs feuilles de graphène et se sont rendu compte que le matériau pouvait absorber jusqu’à 90 % des ondes électromagnétiques, sur une large gamme (par exemple, des ondes radio ou radars). Il serait ainsi possible d’en ajouter aux pare-brise des voitures ou aux fenêtres des édifices, et de s’en servir comme barrière physique contre le piratage informatique ou bien pour limiter la propagation du WiFi au-delà d’une zone précise. Ce genre de technologie est par ailleurs déjà utilisée sur les avions furtifs pour absorber les ondes, rendant les appareils invisibles à la détection radar, mais avec d’autres types de matériaux qui sont moins performants que le graphène parce qu’ils absorbent une plus petite gamme d’ondes électromagnétiques[13].

Toute une chimie pour le graphène

Compte tenu de l’arrangement des atomes de carbone et de la nature de leurs liaisons, le graphène a également la particularité d’être chimiquement réactif sur ses deux côtés, ce qui est unique pour tout matériau à base de carbone. Déjà, le graphène présente des milliers de réactions possibles et, chaque jour, des chimistes en découvrent de nouvelles.

La surface du graphène peut réagir avec des molécules qui en modifient les propriétés électroniques. Il est en effet est possible d’enlever ou d’ajouter des électrons au graphène, ce que l’on appelle le « dopage chimique ». Ce procédé est très utile dans l’étude des semi-conducteurs pour en moduler la conductivité électrique[14].

Le graphène peut aussi voir sa surface modifiée de sorte qu’il réagisse avec des molécules d’ADN. Ceci permet de développer des applications intéressantes pour le séquençage électronique ultrarapide de l’ADN, qui permettrait, en médecine, de mieux identifier une séquence donnée d’ADN d’un gène précis, et ainsi de diagnostiquer plus rapidement des maladies génétiques ou d’y trouver des traitements[15]. De plus, des molécules fluorescentes pourront également, dans un avenir rapproché, être couplées au graphène à des fins d’imagerie médicale, par exemple pour suivre l’absorption d’un médicament et ses effets sur le corps humain[16], ou pour suivre l’évolution de cellules cancéreuses[17]. Du côté environnemental, le même type de modification peut être effectuée pour faire réagir la surface du graphène avec d’autres molécules ayant la propriété d’absorber des polluants comme le mercure[18] ou d’autres métaux dans l’eau des lacs, ou encore pour piéger le CO2 gazeux dans l’air[19].

Le graphène peut également être modifié chimiquement pour prendre la forme de l’oxyde de graphène, qui a l’intéressante propriété d’être sélectivement perméable. En effet, le groupe de recherche du professeur Geim a réussi à rendre l’oxyde de graphène perméable à l’eau et très imperméable à toute autre substance, même des gaz. Fait étonnant : l’hélium passe à travers l’oxyde de graphène 1010 fois plus lentement que l’eau, ce qui est extraordinaire sachant que peu de matériaux sont imperméables à l’hélium[20]. Les membres du groupe ont même poussé l’expérience, non sans humour, en bouchant une bouteille de vodka avec une membrane d’oxyde de graphène et ils se sont rendu compte que l’alcool devenait plus concentré, étant donné que l’eau filtrait , mais pas l’éthanol[21]!

Encore des défis à relever

Plusieurs centaines de laboratoires dans le monde travaillent actuellement sur le graphène dans tous les domaines de la science, que ce soit en physique, en chimie, en biologie ou en génie. Le grand défi des prochaines années reste cependant l’utilisation industrielle du graphène, et le principal objectif est d’en baisser le plus possible le coût de production, aujourd’hui évalué à 10 $ par centimètre cube. Il faudra en effet attendre encore plusieurs années avant de retrouver du graphène dans nos téléphones cellulaires. En revanche, beaucoup de grandes entreprises (BASF, Nokia, Samsung, IBM, etc.) voient déjà le très grand potentiel du graphène et investissent des milliards dans la recherche relative à ses diverses applications et à sa production industrielle.

Plus près de nous, à l’Université de Montréal, le professeur Richard Martel, du département de chimie, dirige un groupe de recherche multidisciplinaire au sein duquel plusieurs chimistes, physiciens et ingénieurs se penchent sur plusieurs facettes du graphène. Entre autres, ils étudient ses propriétés physiques et chimiques, mais surtout sa production, espérant la faire croître à l’échelle industrielle.

Références



[1] GEIM, A.K. et K.S. NOVOSELOV. « The rise of graphene », Nature Materials, vol. 6, no 3, mars 2007, p. 183-191.

[2] GEIM et NOVOSELOV, op. cit.

[3] Nobelprize.org. « The Nobel Prize in Physics 2010 », http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/, 4 juillet 2014.

[4] BERRY, M.V. et A.K. GEIM. « Of flying frogs and levitrons », European Journal of Physics, vol. 18, juin 1997, p. 307-313.

[5] The Royal Swedish Academy of Sciences. « Scientific background on the Nobel Prize in physics 2010: Graphene », https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/advanced-physicsprize2010.pdf, 5 octobre 2010.

[6] WAGNER, H.D. « The evolving architecture of nanocomposites », Nature Nanotechnology, vol. 2, décembre 2007, p. 742-744.

[7] LEE, G.H., R.C. COOPER, S.J. AN, S. LEE, A. VAN DER ZANDE, M. PETRONE, A.G. HAMMERBERG, C. LEE, B. CRAWFORD, W. OLIVER, J.W. KYSAR et J. HONE. « High-strength chemical-vapor-deposited graphene and grain boundaries », Science, vol. 340, no 6136, mai 2013, p. 1073-1076.

[8] British Broadcasting Corporation. « Bill Gates condom challenge ‘to be met’ by graphene scientists », http://www.bbc.com/news/uk-england-manchester-25016994, 20 novembre 2013.

[9] CASTRO NETO, A.H., F. GUINEA, N.M.R. PERES, K.S. NOVOSELOV et A.K. GEIM. « The electronic properties of graphene », Reviews of Modern Physics, vol. 81, janvier 2009, p. 109-162.

[10] Dlubak, B., M.B. Martin, C. Beranlot, B. Servet, S. Xavier, R. Mattana, M. Sprinkle, C. Berger, W.A. de Heer, F. Petroff, A. Anane, P. Seneor et A. Fert. « Highly efficient spin transport in epitaxial graphene on SiC », Nature Physics, vol. 8, juin 2012, p. 557-561.

[11] KERR, Dana. « Nokia begins work on graphene, world’s strongest material », http://www.cnet.com/news/nokia-begins-work-on-graphene-worlds-strongest-material/, 31 janvier 2013.

[12] FULLER, Dawn. « Solar power: making it less expensive and more efficient », http://www.sciencedaily.com/releases/2014/03/140304095033.htm, 4 mars 2014.

[13] SMOLAKS, Max. « UK scientists discover that graphene can block radio waves », http://www.techweekeurope.co.uk/news/graphene-can-block-radio-waves-139595, 20 février 2014.

[14] GEORGAKILAS, V., M. OTYEPKA, A. B. BOURLINOS, V. CHANDRA, N. KIM, K. C. KEMP, P. HOBZA, R. ZBORIL et K.S. KIM. « Functionalization of graphene: covalent and non-covalent approaches, derivatives and applications », Chemical Reviews, vol. 112, no 11, septembre 2012, p. 6156-6214.

[15] MIN, S.K., W.Y. KIM, Y. CHO et K.S. KIM. « Fast DNA sequencing with a graphene-based nanochannel device », Nature Nanotechnology, vol. 6, février 2011, p. 162-165.

[16] SUN, X., Z. LIEU, K. WELSHER, A. GOODWIN, S. ZARIC et H. DAI. « Nano-graphene oxide for cellular imaging and drug delivery », Nano Research, vol. 1, no 3, septembre 2008, p. 203-212.

[17] PENG, J., W. GAO, B.K. GUPTA, Z. LIU, R. ROMERO-ABURTO, L. GE, L. SONG, L.B. ALEMANY, X. ZHAN, G. GAO, S.A. VITHAYATHIL, B.A. KAIPPARETTU, A.A. MARTI, T. HAYASHI, J.J. ZHU et P.M. AJAYAN. « Graphene quantum dots derived from carbon fibers », Nano Letters, vol. 12, no 2, janvier 2012, p. 844-849.

[18] CHANDRA, V. et K.S. KIM. « Highly selective adsorption of Hg2+ by polypyrrole-reduced graphene oxide composite », Chemical Communications, vol. 47, no 13, février 2011, p. 3942-3944.

[19] CHANDRA, V., S.U. YU, S.H. KIM, Y.S. YOON, D.Y. KIM, A.H. KWON, M. MEYYAPPAN et K.S. KIM. « Highly selective CO2 capture on N-doped carbon produced by chemical activation of polypyrrole functionalized graphene sheets », Chemical Communications, vol. 48, no 5, novembre 2011, p. 735-737.

[20] NAIR, R.R., H.A. WU, P.N. JAYARAM, I.V. GRIGORIEVA et A.K. GEIM. « Unimpeded permeation of water through helium-leak-tight graphene-based membranes », Science, vol. 335, janvier 2012, p. 442-444.

[21] WAUGH, Rob. « Hi-tech “wonder material” graphene has an unexpected use—it can distill vodka at room temperature », http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-2092321/Hi-tech-wonder-material-graphene-unexpected-use–distill-vodka-room-temperature.html, 26 janvier 2012.

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