Rubans de gra­phène : les maté­riaux du futur dans notre présent

Rubans de gra­phène : les maté­riaux du futur dans notre présent

Dans le cadre d’une col­la­bo­ra­tion Internationale, des équipes amé­ri­caine, alle­mande et fran­çaise, incluant des cher­cheurs de l’Institut Louis Néel à Grenoble, viennent de mettre au point une tech­nique de syn­thèse ori­gi­nale de gra­phène. Les rubans de gra­phène ainsi pro­duits pré­sentent des spé­ci­fi­ci­tés phy­sico-chi­miques tout à fait révolutionnaires.

Sur ce dessin on observe la structure "ondulante" de la monocouche critalline de carbone

Feuillet de gra­phène. © conso​globe​.com

Le gra­phène : un maté­riau qui n’aurait jamais dû exister

Des consi­dé­ra­tions théo­riques éla­bo­rées par un cer­tain nombre de mathé­ma­ti­ciens et de phy­si­ciens et non des moindres, comme Lev Landau, prix Nobel de phy­sique 1962, avaient « démon­tré » qu’il était impos­sible de créer un réseau cris­tal­lin à deux dimen­sions, c’est-à-dire, en gros, formé dans un plan. Ce tra­vail est connu sous le terme de « théo­rème d’impossibilité ». Et pour­tant, en 2004, deux phy­si­ciens d’origine russe, André Geim et Konstantin Novoselov, tra­vaillant en Grande-Bretagne, ont bel et bien isolé un tel cris­tal : le gra­phène. Il s’agit d’un feuillet mono-couche formé d’atomes de car­bone arran­gés selon un motif hexagonal.

Cette décou­verte leur vau­dra le prix Nobel de phy­sique en 2010. D’un point de vue théo­rique, on sait main­te­nant que le « théo­rème d’impossibilité » ne s’applique pas si le réseau est par­couru d’ondulations, ce qui est le cas du graphène.

Une remar­quable qua­lité structurale

Les cher­cheurs, amé­ri­cains, fran­çais et alle­mands impli­qués dans ce récent tra­vail, publié dans la revue Nature en février, ont syn­thé­tisé un ruban de gra­phène de 40 nano­mètres (40 mil­lio­nième de mil­li­mètre) de lar­geur, à par­tir d’un cris­tal de car­bure de sili­cium, préa­la­ble­ment modi­fié en y « creu­sant » des nano-tranchées.
Claire Berger- Institut NEEL CNRS/UJF UPR2940-Grenoble -Crédit Gary Meek- Co-auteure de l'article paru dans Nature

Claire Berger- Institut Neel CNRS-UJF UPR2940-Grenoble-Co-auteure de l’ar­ticle paru dans Nature. © Gary Meek

Grâce à cette véri­table prouesse tech­no­lo­gique, les feuillets de gra­phène ainsi pro­duits à par­tir de ces « nano-tran­chées » sont d’une remar­quable qua­lité struc­tu­rale. Les rubans pré­sentent notam­ment des bords très orga­ni­sés, une carac­té­ris­tique essen­tielle pour per­mettre une bonne pro­pa­ga­tion des électrons.
Ce der­nier point qui repré­sente l’objectif prin­ci­pal de ces recherches, a lar­ge­ment dépassé les espé­rances des cher­cheurs. Il est en effet apparu que ces rubans pré­sen­taient les carac­té­ris­tiques d’un « conduc­teur balis­tique ». Une pro­priété quan­tique très com­plexe qui signi­fie que dans ces maté­riaux de syn­thèse et à tem­pé­ra­ture ambiante les élec­trons se déplacent sans subir de col­li­sions, qu’il n’y a pas ou très peu de dis­si­pa­tion de cha­leur ni de modi­fi­ca­tion notable de la phase (struc­ture du maté­riau) initiale.

Des carac­té­ris­tiques élec­tro­niques étonnantes

Une des consé­quences la plus spec­ta­cu­laire de cette pro­priété des rubans de gra­phène ainsi syn­thé­ti­sés, réside dans la mobi­lité des charges élec­triques qui y serait supé­rieure, d’un fac­teur mille envi­ron, à celle des semi-conduc­teurs “clas­siques” en sili­cium ! Matériau lar­ge­ment uti­li­sés actuel­le­ment dans les micro­pro­ces­seurs des ordinateurs.
En plus de ces carac­té­ris­tiques élec­tro­niques éton­nantes, ces rubans pré­sentent les mêmes pro­prié­tés remar­quables que les autres gra­phènes, comme les nano­tubes de carbones.
Ce sont des matériaux :
  • plus durs que le diamant
  • les plus fins et les plus légers qui existent
  • 200 fois plus résis­tants à la trac­tion que l’acier
  • plus conduc­teurs que le cuivre
  • trans­pa­rents sans reflets, pliable et déformables…
Ils peuvent en outre être asso­ciés chi­mi­que­ment à d’autres atomes pour pro­duire de nou­veaux com­po­sés pré­sen­tant d’autres pro­prié­tés phy­sico-chi­miques tout à fait inté­res­santes technologiquement.
Structure hexagonale d'un cristal de graphène

Structure hexa­go­nale d’un cris­tal de gra­phène. © Wikipedia

Le maté­riau de l’a­ve­nir ? Sans doute

Mais ces rubans de gra­phène pré­sentent un autre avan­tage consi­dé­rable sur les autres gra­phènes connus : ils sont plus simples à syn­thé­ti­ser, en plus grande quan­tité, et à moindre coût. Ils peuvent donc être pro­duits à grande échelles indus­triel­le­ment. Ils trouvent ou trou­ve­ront de nom­breuses appli­ca­tions, dans des domaines aussi divers que l’informatique, la méde­cine, les pan­neaux solaires ou l’industrie des transports.
Nul doute que le gra­phène occu­pera une place de plus en plus grande dans notre vie de tous les jours. Il suf­fit pour s’en convaincre de prendre l’exemple de la voi­ture élec­trique. Dans ce sec­teur auto­mo­bile, un fac­teur très limi­tant est la den­sité d’énergie embar­quée. En gros, c’est une mesure de l’énergie élec­trique dis­po­nible expri­mée en Watt.heure par kg du « matériel/matériau » pro­dui­sant cette énergie.
Actuellement, pour sto­cker l’équivalent éner­gé­tique d’un kilo d’essence, il faut au mini­mum 80 kilos de bat­te­rie ! On peut tout à fait ima­gi­ner qu’à court terme, grâce au gra­phène, cet écart se réduise et puisse même peut-être s’inverser. Outre cette amé­lio­ra­tion du « ren­de­ment éner­gé­tique », ces nou­velles nano-tech­no­lo­gies pré­sentent d’énormes avan­tages : le maté­riau à base de car­bone est abon­dant dans la nature et rela­ti­ve­ment peu coû­teux à pro­duire. Cerise sur le gâteau, il est entiè­re­ment bio­dé­gra­dable, ce qui est un plus dans la pers­pec­tive d’une éco­no­mie durable, exi­geant des voi­tures propres éco­lo­gi­que­ment et recyclables.
Patrick Seyer
Pour en savoir plus :
Exceptional bal­lis­tic trans­port in epi­taxial gra­pheme nano­rib­bons. Jens Baringhaus, Ming Ruan, Frederik Edler, Antonio Tejeda, Muriel Sicot, AminaTaleb‐Ibrahimi, An-Pin Li, Zhigang Jiang, Edward Conrad, Claire Berger, Christoph Tegenkamp, Walt A. de Heer. Nature. Publié en ligne le 5 février 2014.
DOI : 10.1038/Nature12952

Patrick Seyer

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