Le graphène, qu’est-ce que c’est et à quoi sert-il ?

Graphène – qu’est-ce que c’est et d’où il vient

Le caractère révolutionnaire du graphène réside principalement dans sa bidimensionnalité. Physiquement, il s’agit d’une couche d’atomes de carbone simples disposés selon un motif hexagonal qui ressemble visuellement à un nid d’abeilles. Le graphène est donc un allotrope du carbone. Dans les années 1940, Phillip Russel Wallace a développé le concept théorique de création d’une structure de carbone à un seul atome. Cependant, cette idée a été rejetée par la plupart des scientifiques pendant de nombreuses années. Ce n’est que six décennies plus tard qu’il a pu être transformé en un matériau réel et tangible. Le duo Gejm et Nowosiolow de l’Université de Manchester a réussi à isoler le graphène d’un morceau de graphite en transférant des atomes de carbone sur une couche de dioxyde de silicium (SO ₂ ) à l’aide d’un ruban adhésif. La silice a joué un rôle important dans ce processus, isolant une couche de graphène avec une charge électrique neutre. Cette méthode n’est actuellement utilisée qu’à petite échelle à des fins de recherche.

Propriétés inhabituelles du graphène

Qu’y a-t-il dans cette couche ultra-mince d’atomes de carbone qui a fasciné le monde scientifique ? Le graphène s’est avéré être un très bon conducteur de chaleur et d’électricité. Il se caractérise également par une faible résistance active. A ce titre, elle est concurrente du cuivre et du silicium. À température ambiante, les électrons du graphène présentent une mobilité sans précédent dans d’autres matériaux. Leur grande vitesse atteignant 1/300ème de la vitesse de la lumière ouvre des possibilités intéressantes d’utilisation en diagnostic. Le graphène est également presque transparent – il absorbe 2,3 %de la lumière blanche. Son potentiel électrique exceptionnel va donc de pair avec celui de l’optique. Malgré sa structure extrêmement fine, le graphène est jusqu’à 100 fois plus résistant que l’acier. En même temps, il conserve un haut niveau de flexibilité (jusqu’à 20 %d’extensibilité en longueur ou en largeur). Une membrane de graphène oxydé est complètement imperméable aux gaz, mais perméable à l’eau, elle peut donc être utilisée pour la filtration. Les propriétés antimicrobiennes du matériau sont également remarquables.

Graphène prospectif – applications dans diverses industries

Les propriétés électroniques, optiques, thermiques et mécaniques du graphène ont ouvert la porte à ses nombreuses applications commerciales pratiques, qui, selon les experts, se développeront de manière dynamique au cours des prochaines décennies. Déjà aujourd’hui, le graphène est considéré comme le successeur du silicium dans le domaine électronique. Ce conducteur transparent et flexible peut être utilisé pour fabriquer des cellules photovoltaïques, des écrans enroulables et des panneaux tactiles ainsi que des lumières LED. Il augmente également considérablement la fréquence des signaux électromagnétiques, permettant la production de transistors plus rapides. Les capteurs au graphène suscitent également un intérêt considérable. Grâce à une sensibilité exceptionnelle, ils peuvent détecter des molécules individuelles de substances dangereuses, facilitant ainsi la surveillance de l’environnement. L’oxyde de graphène distribué dans l’air a également la capacité d’éliminer les contaminants radioactifs. La perspective de développer de nouveaux produits avec du graphène augmente chaque année Les applications existantes avec le plus grand potentiel incluent :

• réseaux électriques modernes;
• sources lumineuses écoénergétiques;
• semi-conducteurs utilisés dans les dispositifs spintroniques;
• revêtements anti-corrosion plus efficaces ;
• filtration de l’eau pour la purification et le dessalement;
• systèmes de communication optoélectroniques.

De plus, il y a des spéculations sur l’utilisation potentielle du graphène pour la production de composants structurels plus légers et plus durables pour les voitures, les avions, les navires et les appareils. En combinaison avec des matériaux artificiels (par exemple du caoutchouc), il pourrait être utilisé pour créer, par exemple, du caoutchouc thermiquement conducteur. A base de graphène, un papier extrêmement résistant capable de conduire l’électricité a déjà été développé.

Graphène biocompatible – applications médicales

Il convient également de noter la possibilité d’utiliser le graphène dans le domaine de la biomédecine, à la fois dans les domaines diagnostiques et thérapeutiques. En tant que vecteur de médicament, l’oxyde de graphène se caractérise par une biocompatibilité élevée et une excellente solubilité. Cela permet un dosage précis des agents anti-inflammatoires et anticancéreux ainsi que des enzymes et des substances minérales. Parce que le graphène est un parfait conducteur de chaleur, il est également utilisé pour détruire les tumeurs cancéreuses. Le phénomène de thermolésion permet d’utiliser la chaleur accumulée par celle-ci pour réduire la douleur dans les tissus. Des travaux sont déjà en cours sur la production d’accessoires et de vêtements médicaux chauffants. Les feuilles de graphène sont également utilisées comme biocapteurs et peuvent aider à diagnostiquer le cancer et les maladies neurologiques (par exemple, l’épilepsie ou la maladie de Parkinson) avec des appareils portables. La sonde en graphène développée par les Polonais devrait révolutionner les tests ECG en permettant des mesures à partir du niveau cardiaque. Les propriétés antibactériennes du graphène offrent également une opportunité de résoudre la crise liée à l’insensibilité croissante des bactéries aux antibiotiques. Le graphène peut être utilisé comme base pour le développement d’agents destinés au contrôle des infections topiques et à la désinfection des plaies. La possibilité d’ utiliser le graphène dans l’ingénierie tissulaire semble très prometteuse. La résistance mécanique de l’échafaudage en carbone innovant est extrêmement élevée. Des études montrent qu’il accélère la différenciation des cellules souches et favorise une récupération plus rapide.

Production de graphène

Depuis 2014, le graphène est produit à plus grande échelle à des fins commerciales. De nouvelles techniques micromécaniques ont permis une réduction significative du prix du matériau. Actuellement, ses principaux producteurs sont les États-Unis et la Chine, où l’on trouve des quantités importantes de graphite amorphe bon marché. Souhaité dans le domaine de l’électronique, le graphène premium doit être produit à partir de graphite de qualité suffisante et cela nécessite des cristaux plats et ordonnés acquis dans un traitement spécial. Le prix du matériau est alors proportionnellement plus élevé. Des chercheurs coréens ont réussi à développer un moyen efficace et rentable de produire du graphène par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). L’inconvénient de cette solution est une qualité inférieure du matériau et une fréquence de défauts plus élevée. Cependant, dans certaines applications, cela ne pose pas de problème. Les pôles ont également contribué au développement de méthodes innovantes de production de graphène. L’Institut de technologie des matériaux électroniques de Varsovie détient un brevet pour produire le matériau à partir de carbure de silicium. En 2015, des chercheurs de l’Université de Lodz, en Pologne, ont développé une technologie HGSM révolutionnaire permettant la production de feuilles grand format de haute qualité à partir de la phase liquide.

Le graphène est-il sans danger ?

En tant que matériau relativement nouveau, le graphène soulève des doutes compréhensibles dans le contexte des effets possibles sur la santé humaine. Certains prétendent même que la structure fine et légère du graphène pénètre facilement dans les poumons, constituant une menace comparable à celle de la poussière ou même des fibres d’amiante. Des études chinoises suggèrent même que des nanoparticules de carbone bidimensionnel peuvent se déposer dans les organes internes. Il existe également un risque théorique que le graphène, en pénétrant dans les eaux de surface et souterraines, puisse être nocif pour les plantes et les animaux. Les fines particules peuvent se déposer sur les bords des plans d’eau et augmenter la dureté de l’eau. Cependant, selon les connaissances actuelles, le graphène n’est pas toxique et n’a aucune affinité pour les substances dangereuses. Ses quantités, et donc l’exposition potentielle, sont également extrêmement faibles voire négligeables. Au contact de la peau, il ne présente pas de propriétés irritantes. De plus, des études internationales montrent que l’inhalation ne provoque pas de réactions immunologiques indésirables. Il existe un consensus général au sein de la communauté scientifique sur la nécessité de poursuivre les recherches sur les propriétés et les applications du graphène, y compris son innocuité. Cela permettra d’optimiser les méthodes d’utilisation du matériau innovant dans une perspective d’effets à long terme sur l’homme et l’environnement.