Graphène


Graphène
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Graphène
Molécule de graphène
Molécule de graphène
Général
No CAS 1034343-98-0
Apparence Solide noir mat (graphite)
Propriétés chimiques
Formule brute (C)n
Propriétés électroniques
Mobilité électronique 200 000250 000 cm2·V-1·s-1
Cristallographie
Système cristallin Hexagonal plan
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le graphène est un cristal bidimensionnel (monoplan) de carbone dont l'empilement constitue le graphite. Il fut isolé en 2004 par Andre Geim, du département de physique de l'université de Manchester, qui a reçu pour cette découverte le prix Nobel de physique en 2010 avec Konstantin Novoselov. Il peut être produit de deux manières : par extraction mécanique du graphite (graphène exfolié) dont la technique a été mise au point en 2004, ou par chauffage d'un cristal de carbure de silicium, qui permet la libération des atomes de silicium (graphène epitaxié).

Sommaire

Histoire

Le graphène a été obtenu pour la première fois en 2004 par l'équipe d'Andre Geim à l'université de Manchester en Angleterre. Cette découverte lui a valu, lui et son collaborateur Konstantin Novoselov, le prix Nobel de physique en octobre 2010.

Production

Représentation graphique du graphène.

Le graphène se trouve à l'état naturel dans les cristaux de graphite, où il se présente sous la forme d'un empilement de feuilles. Plusieurs techniques ayant pour but de le rendre exploitable ont vu le jour ces dernières années. À ce jour (janvier 2009), seulement deux sociétés en fabriquent, à savoir Graphene Industries et Graphene Works, mais de nouvelles entreprises devraient apparaître au cours de l'année.

Graphène exfolié

Le principe consiste à arracher une très fine couche de graphite du cristal à l'aide d'un ruban adhésif, puis de renouveler l'opération une dizaine de fois sur les échantillons ainsi produits afin que ces derniers soient les plus fins possibles. Ils sont ensuite déposés sur une plaque de dioxyde de silicium où une identification optique permettra de sélectionner les échantillons constitués d'une unique couche.

Graphène épitaxié

Il s'agit de produire du graphène à partir de carbure de silicium. Un échantillon de ce dernier est chauffé sous vide à 1 300 °C afin que les atomes de silicium des couches externes s'en évaporent. Après un temps bien déterminé, les atomes de carbone restants se réorganisent en fines couches de graphène.

Autre

Le principe consiste à oxyder du graphite dans un milieu acide puis utiliser de l'hydrazine comme solvant réducteur pour purifier le graphène.

Applications futures

Les récentes publications scientifiques sur ce matériau suggèrent de nombreuses applications possibles . Cependant, sa production reste encore problématique et très onéreuse : selon certaines sources, un mètre carré reviendrait à 600 milliards d'euros[1]. Mais le chiffre est contesté par le physicien Jean-Noël Fuchs, qui déclare :

« On lit parfois que la production d'un mètre carré de graphène reviendrait à 600 milliards d'euros. Il s'agit d'un calcul qui avait été fait il y a quelques années en tenant compte du fait qu'un très petit nombre de groupes étaient capables d'en produire, en très petite quantité, de l'ordre du millimètre carré. En réalité, le matériau de base n'est rien d'autre que du carbone, ce qui ne coûte pas très cher[2] ! ».

Une perspective d'avenir pour le graphène serait la fabrication d'une nouvelle génération de transistors ultra rapides, de dimension nanométrique. De plus, il possède une excellente résistance mécanique de 42 GPa soit 42·109 (42 milliards) newtons par mètre carré.

On a récemment réussi à transformer en une opération réversible du graphène (conducteur électrique) en graphane (forme hydrogénée, isolante du graphène)[3]. D'autres applications concernant la fabrication d'écrans souples sont également envisagées[4].

Électronique

Le graphène étant un cristal bidimensionnel les électrons se déplacent sur le graphène à une vitesse de 1 000 km·s-1, soit 30 fois la vitesse des électrons dans le silicium. Grâce encore à ses propriétés de cristal bidimensionnel et une capacité récemment découverte d'auto-refroidissement très rapide, un transistor de graphène ne s'échauffe que très peu.

Matériaux

Des mesures ont établi que le graphène possède une résistance à la rupture 200 fois supérieure à celle de l'acier et qu'il est 6 fois plus léger.

Un ajout de graphène dans un polymère permet d'augmenter la dureté et la stabilité thermique du polymère.

Les propriétés de ce matériau ont pu être caractérisées par rayonnement synchrotron[5].

Selon Michio Kaku, physicien et futurologue américain, le graphène pourrait à terme permettre la construction d'un ascenseur spatial destiné à remplacer les navettes spatiales américaines mises à la retraite en 2011[6].

Annexes

Notes et références

  1. F Daninos, La Recherche, Palmarès 2008.
  2. « Distingué par le comité Nobel, le graphène va révolutionner l'industrie électronique », Le Monde, 7 octobre 2010, p. 6.
  3. D Elias et al, Science, 323, 610, 2009.
  4. Bientôt des écrans qui se plieront comme du papier, Courrier International 2010.
  5. Article - Synchrotron Soleil
  6. (en) Michio Kaku on the space elevator sur YouTube [vidéo]
  • Fuchs JN, Goerbig MO, « Le graphène, premier cristal bidimensionnel », Pour la Science, mai 2008, p36-41
  • Franck Daninos, « Le graphène, matériau de l'année », La Recherche, janvier 2009, p30-35

Articles connexes

Liens et documents externes



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