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Posté par Redbran le Samedi 03/12/2016 à 13:00
L'Eau de Graphène, une exfoliation inégalée
Matériau le plus mince au monde aux propriétés électriques, thermiques, mécaniques inégalées, le graphène, couche élémentaire du graphite, est toujours sujet à une veille scientifique et technologique active. D'autant que des verrous restent à lever, comme obtenir cette couche unique d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une...) de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) sans que celle-ci ne perde ses propriétés. De même qu'empêcher qu'elle ne s'agrège à nouveau à d'autres couches jumelles (On désigne par le terme jumelles un dispositif optique binoculaire grossissant destiné à l'observation d'objets à distance, constitué de deux lunettes symétriques montées en parallèle.). Mais en utilisant de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) dégazée, les chercheurs du Centre de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...) Paul Pascal (CNRS/Université de Bordeaux) et du Laboratoire Charles Coulomb (CNRS/Université de Montpellier) sont parvenus à une dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les différentes fréquences constituant l'onde ne se propagent pas à la...) de graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.) sous forme aqueuse, stable à l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des avions et autres...) et facilement manipulable. Cette formulation (La formulation est une activité industrielle consistant à fabriquer des produits homogènes, stables et possédant des propriétés spécifiques, en...) est une première ! Elle fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les relations...) d'un brevet et d'une publication dans la revue Nature Chemistry.


Les couples de sphères rouges et blanches représentent les ions OH- et les sphères mauves des contre ions K+ Illustration: CNRS/© Alain Pénicaud
On attend beaucoup du graphène, cette couche élémentaire du graphite, qui conduit le courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces déplacements...) sur des distances de plus de mille fois son épaisseur sans résistance, présente une résistance mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de...) et une conductivité thermique (La conductivité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des matériaux lors du transfert de chaleur par conduction. Cette constante apparaît par exemple dans la loi...) très élevées. Léger, quasi-transparent, il constitue une barrière infranchissable à l'eau et aux gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière...).

Problème: il est très difficile d'isoler le graphène, c'est-à-dire d'isoler chaque couche d'atomes de carbones qui composent le graphite. Cela exige de vaincre les forces dites de van der Waals - sorte de colle (Une colle ou la glu est un produit de nature liquide ou gélatineuse servant à lier des pièces entre elles. Ces pièces peuvent être de même nature...) moléculaire - qui lient ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme...) ces couches. Pour y parvenir, une méthode consiste à plonger le graphite dans de l'acide sulfurique (L'acide sulfurique (anciennement appelé huile de vitriol ou vitriol) est un composé chimique corrosif de formule H2SO4.) et du permanganate de potassium, mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation aussi appelée mélange. Les substances...) très oxydant. Mais le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...) perd alors sa conductivité ! On peut aussi disperser le graphite dans un mixer avec du savon (Le savon est un objet liquide ou solide composé de molécules amphiphiles composées de sels métalliques, spécifiquement d'hydroxyde de sodium ou d'hydroxyde de potassium, et d'acides gras.), à l'image du gras séparé du tissu dans une machine à laver. Mais l'exfoliation est encore loin d'être totale et cette méthode ne permet pas d'arriver à la couche élémentaire.

Les chercheurs du Centre de recherche Paul Pascal et du Laboratoire Charles Coulomb sont partis sur une autre piste. Ils ont tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) d'abord montré que le graphite pouvait être soluble dans certains solvants, conduisant à une solution de "graphènure", signifiant la présence de charges électroniques négatives à sa surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière...), permettant aux différentes couches de se repousser entre elles. Hélas, ces solutions ne pouvaient être manipulées que sous atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) inerte (Inerte est l'état de faire peu ou rien.), c'est-à-dire sans oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) ni eau, sous peine de voir le graphène se réagréger en graphite.

Ils sont ensuite partis du constat que bien que l'eau et l'huile (L'huile est un terme générique désignant des matières grasses qui sont à l'état liquide à température ambiante et qui ne se mélangent pas...) soient non miscibles, il était possible d'obtenir une émulsion en utilisant de l'eau dont on avait simplement retiré le gaz naturellement présent. Ils ont alors injecté leur solution de "graphènure" dans de l'eau dégazée. Ils ont ainsi obtenu une eau de graphène dans laquelle les ions OH-, naturellement présents dans l'eau, s'adsorbent à la surface à la place des molécules de gaz puisqu'elles ont été préalablement ôtées de l'eau. Les feuillets de graphène se retrouvent chargés électriquement par l'adsorption (L'adsorption, à ne pas confondre avec l'absorption, est un phénomène de surface par lequel des molécules de gaz ou de liquides se fixent sur les surfaces solides des adsorbants selon divers processus plus ou moins...) des ions OH- et se repoussent entre eux, comme tous objets de même charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de conservation.).

Cette fois-ci, la dispersion est aqueuse, totale, stable à l'air et facilement manipulable ! Il s'agit de la première formulation de graphène en couche unique.

Publication:
G. Bepete, E. Anglaret, L. Ortolani, V. Morandi, K. Huang, A. Pénicaud & C. Drummond
Surfactant Free Single Layer Graphene in Water
Nature Chemistry 28 novembre 2016

Contacts chercheurs:
Carlos Drummond & Alain Pénicaud, Centre de recherche Paul Pascal - Bordeaux

Contacts institut:
Christophe Cartier dit Moulin (Un moulin est une machine à moudre les grains de céréale en farine et, par analogie, une machine à broyer, piler, pulvériser diverses substances et à extraire...), Stéphanie Younes

Pour plus d'information voir:
- http://www.crpp-bordeaux.cnrs (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).).fr/
- http://www.coulomb.univ-montp2.fr/

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Source: CNRS-INC