En 2004, deux scientifiques de l’université de Manchester ont réalisé une expérience d’une simplicité trompeuse, dont les conséquences pourraient changer le monde.
Les chercheurs, Andre Geim et Konstantin Novoselov, s’amusaient avec du graphite, le matériau qui se trouve dans la pointe de votre crayon. Le graphite est constitué de feuilles superfines de carbone pur empilées les unes sur les autres. Geim et Novoselov voulaient voir s’ils pouvaient isoler une seule feuille de graphite, une couche de carbone incroyablement fine mesurant seulement un atome d’épaisseur.
Ils ont donc pris un rouleau de ruban adhésif. Oui, le même ruban transparent dans l’applicateur en plastique que vous gardez dans votre tiroir de bric-à-brac. Voici comment Geim a décrit sa technique, telle que rapportée par la BBC.
“Vous mettez [le ruban adhésif] sur du graphite ou du mica et vous décollez la couche supérieure. Il y a des paillettes de graphite qui se détachent sur votre ruban adhésif. Ensuite, vous pliez le ruban en deux et vous le collez sur les paillettes du dessus et vous les divisez à nouveau. Et vous répétez cette procédure 10 ou 20 fois. À chaque fois, les flocons se divisent en flocons de plus en plus fins. À la fin, il vous reste des flocons très fins attachés à votre ruban adhésif. Vous dissolvez le ruban adhésif et tout passe en solution”.
La méthode du ruban adhésif a fonctionné ! En isolant une feuille de carbone à une seule couche, Geim et Novoselov ont été crédités de la découverte d’un tout nouveau matériau appelé graphène qui est maintenant considéré comme la substance la plus solide, la plus légère et la plus conductrice d’électricité sur Terre.
En 2010, Geim et Novoselov ont partagé le prix Nobel de physique pour la découverte du graphène, et les chercheurs du monde entier ont commencé à réclamer des moyens d’utiliser ce remarquable “supermatériau” pour construire des batteries plus puissantes et plus durables, des micropuces plus rapides, des circuits flexibles, des biocapteurs implantables et bien plus encore. Une décennie plus tard, le graphène n’a pas encore tenu ses promesses, mais les initiés sont convaincus que nous verrons enfin des smartphones, des voitures électriques et des capteurs utilisant la technologie du graphène dans les prochaines années.
Pourquoi le graphène est-il un supermatériau ?
Avec une épaisseur d’un atome seulement, une feuille de graphène remplit toutes les conditions d’un supermatériau :
- Le graphène est 200 fois plus résistant que l’acier en poids.
- Il est 1 000 fois plus léger que le papier.
- Il est 98 % transparent.
- Il conduit l’électricité mieux que tout autre matériau connu à température ambiante.
- Il peut convertir la lumière de n’importe quelle longueur d’onde en un courant.
- Enfin, le graphène est fabriqué à partir de carbone, le quatrième élément le plus abondant dans l’univers, donc nous ne risquons pas d’en manquer.
Le graphène tire ses superpouvoirs de sa structure. Si vous pouviez zoomer suffisamment près, vous verriez qu’une feuille de graphène ressemble à un nid d’abeille à l’échelle atomique. Les atomes de carbone individuels sont disposés selon un motif hexagonal qui ressemble à du grillage à poules. Chaque atome de carbone d’une feuille de graphène est lié de manière covalente à trois autres éléments de carbone, ce qui confère au matériau son incroyable résistance.
Pourquoi le graphène conduit-il si bien l’électricité ? Encore une fois, à cause de la façon dont ces atomes de carbone sont liés. Chaque atome de carbone possède quatre électrons dans sa coquille extérieure, mais seuls trois de ces électrons sont partagés avec ses trois atomes de carbone voisins. L’électron restant est appelé électron pi et est libre de se déplacer dans l’espace tridimensionnel, ce qui lui permet de transmettre des charges électriques à travers la feuille de graphène sans presque aucune résistance. En fait, le graphène est le conducteur d’électricité le plus rapide à température ambiante de toutes les substances connues.
L’angle magique
Une découverte récente pourrait ajouter un autre superpouvoir au palmarès du graphène. Une équipe du Massachusetts Institute of Technology (MIT) expérimentait le graphène à double couche – deux couches de graphène à un seul atome empilées ensemble – lorsqu’elle est tombée sur une nouvelle propriété presque magique du graphène. Lorsque les couches sont légèrement décalées l’une par rapport à l’autre – un déplacement d’exactement 1,1 degré – le graphène devient un supraconducteur. Les supraconducteurs sont la classe la plus rare de matériaux qui conduisent l’électricité sans résistance et sans chaleur.
La découverte de “l’angle magique” du graphène a provoqué une onde de choc dans la communauté scientifique. Bien que l’expérience ait été menée à des températures extrêmement basses (près de 0 degré Kelvin ou moins 459,67 F), elle a ouvert la possibilité qu’en combinant le graphène avec d’autres éléments supraconducteurs, nous sommes plus proches que jamais de la supraconductivité à température ambiante. Une telle réalisation améliorerait radicalement l’efficacité énergétique de tout, des gadgets aux voitures en passant par des réseaux électriques entiers.
Comment le graphène pourrait-il transformer la technologie ?
La supraconductivité n’est pas encore pour demain, mais les produits révolutionnaires à base de graphène arriveront sur le marché bien plus tôt, affirme Andrea Ferrari, professeur de nanotechnologie et directeur du Cambridge Graphene Centre.
“D’ici 2024, il y aura une variété de produits à base de graphène sur le marché”, déclare Ferrari, “y compris des batteries, des produits photoniques, des caméras de vision nocturne et plus encore».
Les consommateurs attendent avec impatience les batteries à base de graphène depuis des années. Les batteries lithium-ion de tous nos gadgets sont relativement lentes à charger, perdent rapidement leur jus et s’épuisent après un certain nombre de cycles. C’est parce que le processus électrochimique qui alimente les batteries au lithium-ion génère beaucoup de chaleur.
Mais comme le graphène est le conducteur électrique le plus efficace au monde, il produit beaucoup moins de chaleur lors du chargement ou du déchargement de l’électricité. Les batteries à base de graphène promettent des vitesses de charge cinq fois plus rapides que le lithium-ion, une durée de vie trois fois plus longue et cinq fois plus de cycles avant de devoir être remplacées.
Des sociétés d’électronique comme Samsung et Huwei développent activement des batteries à base de graphène pour les smartphones et autres gadgets, mais celles-ci n’arriveront pas sur le marché avant 2021. Quant aux batteries au graphène dans les voitures électriques – qui pourraient augmenter considérablement leur rayon d’action – il faudra attendre encore quelques années. Une industrie entière a été construite sur la technologie lithium-ion et cela ne changera pas du jour au lendemain.
“L’industrie des batteries est très conservatrice”, déclare Jesus de la Fuente, PDG de Graphanea, une société qui fabrique et vend du graphène pur et des puces à base de graphène à des chercheurs universitaires et à des départements de recherche et développement. “Il pourrait changer la composition des batteries quelques fois tous les cinq à dix ans, ce qui rend très difficile l’introduction de nouveaux produits dans cette industrie».
Il existe quelques batteries à base de graphène sur le marché, y compris certains chargeurs filaires et sans fil d’une société appelée Real Graphene, mais ce n’est que la partie émergée de l’iceberg, déclare M. Ferrari, qui est également le responsable scientifique et technologique du Graphene Flagship, une collaboration d’un milliard d’euros de l’Union européenne visant à accélérer le développement de la technologie du graphène. Les partenaires de recherche du Flagship fabriquent déjà des batteries en graphène qui surpassent les meilleures cellules à haute énergie actuelles de 20 % en capacité et de 15 % en énergie. D’autres équipes ont construit des cellules solaires à base de graphène qui sont 20 % plus efficaces pour convertir la lumière du soleil en électricité.
Autres utilisations du graphène
Si les batteries au graphène sont peut-être les premières à être commercialisées, les chercheurs sont occupés à développer d’innombrables autres applications pour ce matériau miracle.
Les biocapteurs sont en plein essor. Imaginez une puce incroyablement fine et flexible pouvant être injectée dans la circulation sanguine pour surveiller en temps réel des données de santé comme le taux d’insuline ou la pression artérielle. Ou une interface en graphène qui envoie des signaux au cerveau pour détecter une prochaine crise d’épilepsie ou même la prévenir. Des capteurs minces et extensibles peuvent également être portés sur la peau ou tissés dans le tissu des vêtements.
La photonique est un autre domaine qui incorpore déjà le graphène. En intégrant le graphène dans des puces sensibles à la lumière, les caméras et autres capteurs peuvent améliorer considérablement leur sensibilité aux ondes lumineuses les plus faibles du spectre visible et invisible. Cela améliorera non seulement la qualité d’image des caméras et des télescopes, mais aussi l’imagerie médicale.
La filtration est encore une autre application prometteuse du graphène. De simples filtres de purification de l’eau construits avec des polymères de graphène peuvent se lier aux contaminants organiques et inorganiques présents dans l’eau potable. Les chercheurs du Graphene Flagship ont également créé des technologies de désalinisation basées sur des diodes de graphène qui peuvent éliminer plus de 60 % du sel de l’eau de mer pour des utilisations agricoles et autres.
Tous ces développements prendront du temps, mais M. Ferrari, du Centre du graphène de Cambridge, est convaincu que le graphène sera à la hauteur de son engouement. En fait, il est tout aussi enthousiaste à propos des propriétés encore inconnues des quelque 2 000 autres matériaux monocouches qui sont également en train d’être isolés, méthode du ruban adhésif ou autre.
“Nous disons graphène, mais nous parlons en réalité d’un grand nombre d’options qui sont en train d’être explorées”, dit Ferrari. “Les choses évoluent dans la bonne direction”.
