Qu'est-ce que le graphène et que peut-il faire ?

Si vous avez été n'importe où près d'un journal scientifique au cours de la dernière décennie, vous aurez rencontré une forme de superlatif sur le graphène - le matériau miracle bidimensionnel qui promet de tout transformer, de l'informatique à la biomédecine.

Il y a beaucoup de battage médiatique sur les applications du graphène, grâce à une poignée de propriétés remarquables. Il est 1 million de fois plus fin qu'un cheveu humain mais 200 fois plus résistant que l'acier. Il est flexible mais peut agir comme une barrière parfaite et est un excellent conducteur d'électricité. Mettez tout cela ensemble et vous obtenez un matériau avec une multitude d'applications potentiellement révolutionnaires.

Qu'est-ce que le graphène ?

Le graphène est du carbone, mais dans un réseau en nid d'abeille d'un atome d'épaisseur. Si vous revenez à vos anciennes leçons de chimie, vous vous souviendrez que les matériaux entièrement composés de carbone peuvent avoir des propriétés radicalement différentes, selon la disposition de leurs atomes (différents allotropes). Le graphite de votre mine de crayon, par exemple, est doux et sombre par rapport au diamant dur et transparent de votre bague de fiançailles. Les structures de carbone fabriquées par l'homme ne sont pas différentes; le Buckminsterfullerene en forme de boule agit différemment des arrangements enroulés de nanotubes de carbone.

Le graphène est constitué d'une feuille d'atomes de carbone dans un réseau hexagonal. De ce qui précède, sa forme est la plus proche du graphite, mais alors que ce matériau est constitué de feuilles bidimensionnelles de carbone maintenues couche sur couche par de faibles liaisons intermoléculaires, le graphène n'a qu'une seule feuille d'épaisseur. Si vous pouviez décoller une seule couche de carbone d'une hauteur d'un atome du graphite, vous auriez du graphène.

Les faibles liaisons intermoléculaires du graphite le font apparaître doux et floconneux, mais les liaisons carbone elles-mêmes sont robustes. Cela signifie qu'une feuille composée uniquement de ces liaisons carbone est solide - environ 200 fois plus que l'acier le plus résistant, tout en étant flexible et transparente.

Le graphène est théorisé depuis longtemps et produit accidentellement en petites quantités depuis aussi longtemps que les gens utilisent des crayons graphite. Son isolement et sa découverte principaux sont cependant épinglés sur les travaux d'André Geim et Konstantin Novoselov, en 2014 à l'Université de Manchester. Les deux scientifiques auraient organisé des « expériences du vendredi soir », où ils testeraient des idées en dehors de leur travail de jour. Au cours d'une de ces sessions, les chercheurs ont utilisé du scotch pour retirer de fines couches de carbone d'un morceau de graphite. Cette recherche pionnière a finalement conduit à la production commerciale de graphène.

Après avoir remporté le prix Nobel de physique en 2010, Geim et Novoselov ont fait don du dévidoir de ruban au musée Nobel.

A quoi sert le graphène ?

Une chose importante à noter est que les scientifiques développent toutes sortes de matériaux à base de graphène. Cela signifie qu'il est probablement préférable de penser aux « graphènes », de la même manière que nous penserions aux plastiques. Essentiellement, l'avènement du graphène a la possibilité de conduire à une toute nouvelle catégorie de matériaux, pas seulement un nouveau matériau.

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En termes d'applications, des recherches sont menées dans des domaines aussi variés que la biomédecine et l'électronique à la protection des cultures et à l'emballage alimentaire. Pouvoir modifier la propriété de surface du graphène, par exemple, pourrait en faire un matériau exceptionnel pour l'administration de médicaments, tandis que la conductivité et la flexibilité du matériau pourraient annoncer une nouvelle génération de circuits à écran tactile ou d'appareils portables pliables.

Le fait que le graphène soit capable de former une barrière parfaite contre les liquides et les gaz signifie qu'il peut également être utilisé avec d'autres matériaux pour filtrer un grand nombre de composés et d'éléments, y compris l'hélium, qui est un gaz exceptionnellement difficile à bloquer. Cela a une gamme d'applications lorsqu'il s'agit de l'industrie, mais pourrait également s'avérer très utile pour les besoins environnementaux autour de la filtration de l'eau.

Les propriétés multifonctionnelles du graphène ouvrent les portes à une énorme quantité d'utilisations composites. Bien que de nombreuses réflexions aient été menées sur la manière dont il peut stimuler les technologies préexistantes, les progrès continus dans le domaine mèneront finalement à de nouveaux domaines qui auraient été auparavant impossibles. Pourrions-nous voir une toute nouvelle classe d'ingénierie aérospatiale émerger ? Qu'en est-il des implants optiques en réalité augmentée ? À première vue, le 21e siècle est celui où nous le saurons.