Le graphène ? En bonne voie pour une production industrielle
Publié par Adrien le 03/10/2012 à 12:00
Source: BE Pologne numéro 20 (28/09/2012) - Ambassade de France en Pologne / ADIT - http://www.bulletins-electroniques.com/ ... /71088.htm
Illustration: Carbophiliac
Considéré par beaucoup comme un matériau d'avenir, le graphène demeure coûteux à produire et difficile à fabriquer. Une nouvelle méthode de fabrication du graphène, qui ne nécessite aucun équipement spécialisé, a été développée par des scientifiques de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for...) de Chimie Physique (La chimie physique est l’étude des bases physiques des systèmes chimiques et des procédés. En particulier, la description énergétique des diverses transformations...) de l'Académie (Une académie est une assemblée de gens de lettres, de savants et/ou d'artistes reconnus par leurs pairs, qui a pour mission de veiller aux usages dans leurs disciplines respectives et de publier des ouvrages tels...) Polonaise des Sciences (IChF PAN) à Varsovie en collaboration avec l'Institut 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 scientifique désigne...) Interdisciplinaire (Un travail interdisciplinaire intègre des concepts provenant de différentes disciplines.) de Lille (Unité Mixte de Recherche). Ce procédé, publié dans le journal Chemical Communication, est d'une telle simplicité qu'il peut être mis en oeuvre dans n'importe quel laboratoire.

Le graphène, matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une...) aux milles promesses...

Isolé pour la première fois en 2004 à Manchester au Royaume-Uni, le graphène est un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union...) 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.) monoplan (Un monoplan est un avion ayant une seule paire d'ailes comme plan de sustentation. Depuis la fin des années 1930, tous les avions classiques sont monoplans.) avec des propriétés physiques hors du commun qui attirent de nombreux chercheurs. La découverte du graphène, qui n'a nécessité qu'une mine de crayon et du papier (Le papier (du latin papyrus) est une matière fabriquée à partir de fibres cellulosiques végétales et animales. Il se présente sous forme de feuilles minces et est considéré comme...) adhésif, a été récompensée, six années plus tard, par le prix Nobel de physique (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les dernières volontés du testament du chimiste Alfred Nobel. Il récompense des figures scientifiques...) 2010 remis à Konstantin Novoselov et Andre Geim.

Le graphène est produit à partir du graphite, qui est en fait une succession de milliards de couches de graphènes. Ce dernier se présente comme un feuillet monocouche bidimensionnelle, de maille hexagonale, dont l'épaisseur (celle de l'atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se...) de carbone, son seul constituant), est de 70 picomètres, soit un millionième d'un cheveu humain.


Représentation du graphène

Des propriétés physiques inédites sont associées à la structure en feuillet monocouche du graphène: les scientifiques le décrivent comme étant le matériau le plus fin et l'un des plus résistants connu à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure locale) et sa...). Il possède des conductivités thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des...) et électrique respectivement 80 et 150 fois supérieures à celles du silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.). A température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du...) ambiante, la mobilité des électrons au sein du graphène est de 200.000 cm2 par volt par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La...), ce qui correspond à une vitesse (On distingue :) de 1000 km/s, alors que celle du silicium n'est que de 1.400 cm2/V.s-1 (7 km/s). Selon des recherches récentes, le graphène aurait même certaines propriétés adhésives lui permettant, sous forme de membrane, d'être un épurateur d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) ou un séparateur de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni...). Le graphène parait donc un sérieux candidat pour remplacer le silicium et ainsi permettre la miniaturisation extrême des transistors.

...encore difficile à produire en quantités industrielles

Le graphène intéresse évidemment les entreprises du secteur de l'électronique, notamment pour la fabrication d'écrans minces, souples et résistants ou de puces à très haut débit (Le terme de très haut débit (ou THD) fait référence à des capacités d'accès à internet supérieures à celle de l'accès par l'ADSL dans le...). Il pourrait également amener au développement d'une nouvelle génération de capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une...) et de biosenseurs utiles pour les technologies propres et les biotechnologies.

Mais jusqu'à présent, les recherches sur le graphène ont été limitées par le coût et la difficulté de le produire en grande quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de...). La production d'un feuillet de graphène demande un très haut niveau de technicité du fait de son épaisseur de 70 picomètres. Les méthodes actuelles de fabrication du graphène suivent des procédures complexes qui nécessitent un matériel onéreux et spécialisé. L'une de ces méthodes consiste à cristalliser du graphène en chauffant sous vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) et à 1300°C du carbure de silicium (Le carbure de silicium (SiC), aussi connu sous le nom de carborundum ou de moissanite, est une céramique composée de silicium et de carbone.) (SiC) afin que les atomes de silicium des couches externes s'en évaporent. Après un temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) bien déterminé, les atomes de carbone restants se réorganisent en fines couches de graphène. Une autre méthode, nommé " dépôt chimique en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) vapeur () ", permet de créer du graphène par la décomposition (En biologie, la décomposition est le processus par lequel des corps organisés, qu'ils soient d'origine animale ou végétale dès l'instant qu'ils sont privés de vie, dégénèrent sous l'action de...) d'un gaz carboné (e.g. le méthane) sur un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le...) porté à haute température comme le nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.) ou le cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces...).

"Si nous voulons élargir les applications industrielles du graphène, nous devons trouver de meilleures procédés pour le produire en grandes quantités, de façon contrôlée et sans avoir à utiliser du matériel coûteux et spécialisé", - annonce Izabela Kaminska, doctorante à l'IChF PAN de Varsovie et premier auteur de la publication.

Un nouveau procédé de production simple et bon marché

La nouvelle méthode de production du graphène mise au point (Graphie) par l'équipe franco-polonaise ne nécessite que du graphite, un sonicateur, du tétrathiafulvalene (TTF, de formule chimique C6H4S4) et du perchlorate ferrique (Fe(ClO4)3), tous étant des produits facilement disponibles.

Les feuillets de graphène étant très difficilement séparables les unes des autres, la première étape consiste à oxyder la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état...) première, le graphite. L'incorporation de molécules d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.), réalisée par la méthode de Hummers, écarte les feuillets les uns des autres et favorisent in fine leur décollement. La poudre (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent sous forme de petits morceaux, en général de taille inférieure au dixième de millimètre...) obtenue - l'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également...) de graphite - est ensuite mise en suspension ( Le fait de suspendre des particules En chimie, la suspension désigne une dispersion de particule. En géomorphologie, la suspension est un mode de transport des sédiments. Le fait de suspendre un objet En...) dans l'eau et placée dans un sonicateur. Les ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie...) sonores de haute fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot...) permettent d'exfolier les feuilles d'oxyde de graphène en formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur perçue est haute et inversement. Chaque voyelle se caractérise par...) des "paillettes", qui sont constituées de couches successives de graphène de 200 à 500 nanomètres d'épaisseur. Cependant, lors d'une rencontre avec le service scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes...) de l'ambassade de France à Varsovie, Izabela Kaminska précise que "l'oxydation a changé de façon spectaculaire les propriétés physico-chimiques du graphène. Au lieu d'un excellent conducteur, nous obtenions ... un parfait isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les isolants phoniques et les isolants...)".

Pour éliminer l'oxygène de l'oxyde de graphène, l'équipe franco-polonaise à eu l'idée d'ajouter du tétrathiafulvalene (TTF), un composé organo-sulfuré donneur d'électrons. Les molécules de TTF restantes sont finalement éliminées par une dernière réaction d'oxydation par du perchlorate ferrique puis par un lavage dans une solution neutre de TTF. Les paillettes résultantes, comprenant des couches de graphène de quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres d'épaisseur, sont obtenues en déposant une goutte du 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...) sur une électrode.

Cette découverte devrait encourager les scientifiques à pousser plus loin les recherches sur le graphène pour créer l'électronique du futur, à l'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris en sciences (« heure solaire » employé pour temps...) où les experts de l'industrie du silicium annoncent la limite physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne...) de l'évolution des performances de la microélectronique. Le 7 août 2012 a été annoncée en Pologne le premier appel à projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration...) de GRAF-TECH, un consortium d'entreprises et d'institutions scientifiques en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) de produire du graphène et de l'utiliser dans l'industrie, notamment pour la construction d'écrans d'ordinateurs et de panneaux solaires. GRAF-TECH est financé par des fonds privés et publics, le NCBiR (Centre National de Recherche et Développement) participant à hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) de 60 M PLN (15 M euros). La société américaine BCC Research estime que la valeur du marché des produits à base de graphène s'élèvera en 2015 à 67 millions de dollars et dix fois plus en 2020.
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