Graphène, le futur à la pointe de notre crayon

Par Alexandre R le 3 mars 2016

Imaginez un câble, moins épais qu’un cheveu, capable de tracter une voiture, un camion ou un avion. Imaginez qu’il soit capable de stocker et faire circuler l’énergie, qu’il soit souple comme du caoutchouc mais plus résistant que l’acier. Derrière cette vitrine de rêve se trouve un matériau encore peu connu : le graphène. S’il possède d’extraordinaires capacités, il est composé d’une chose disponible en abondance dans la nature : le graphite, soit ni plus ni moins ce qui compose la mine de notre crayon à papier.

Le graphène, qu’est-ce que c’est ?

L’examen microscopique du graphite montre qu’il est composé d’une multitude de couches d’atomes de carbone, posées les unes sur les autres.

Si l’on traite ce minéral de manière à n’obtenir qu’une unique couche d’atomes, on obtient l’un des seuls matériaux existants ne possédant que deux dimensions (“en 2D” donc), chose que la science pensait impossible il y a à peine 20 ans. Là se trouve notre graphène.

Deux procédés industriels existent à ce jour pour arriver à ce résultat : l’exfoliation et la CVD (dont nous ne développerons pas l’aspect technique dans cet article).

Le graphène prend la forme d’un feuillet en 2D, à la fois très souple et incroyablement solide

Cette manipulation nous donne l’accès à d’hallucinantes propriétés : 200 fois plus résistant que l’acier mais 6 fois plus léger (une feuille de 1 gramme de graphène peut couvrir une surface équivalente à la moitié d’un terrain de rugby), 50 fois plus conducteur que le cuivre tout en générant 40 fois moins de chaleur, le graphène se veut l’un de ces super-héros dont on ne se lasse pas de découvrir les pouvoirs.

De la difficulté d’une production à grande échelle

Prendre du graphite et isoler une couche d’un atome d’épaisseur, tout bête me direz-vous ?

Il s’agit à vrai dire d’un réel casse-tête sur lequel les scientifiques planchent depuis 2004, année de la découverte du graphène par les chercheurs Geim et Novoselov (découverte pour laquelle ils obtinrent le prix Nobel de physique en 2010).

Il existe aujourd’hui plusieurs méthodes permettant d’aboutir à la production de feuillets de graphène, mais le coût prohibitif, de l’ordre de 500€/m² en décembre 2015, et la lenteur de la production sont de taille à décourager les potentiels investisseurs. On peut cependant noter de remarquables initiatives, notamment celle de la compagnie chinoise Ningbo Moxi Co. Ltd qui a annoncé se lancer dans l’étude et la construction d’une ligne de production capable de fabriquer 30 tonnes de graphène par an à un coût qui pourrait être inférieur à 1€ le mètre carré.

Il est donc raisonnable de penser qu’à terme des économies d’échelle propres à une augmentation de la production se mettront en place, avec l’espoir que nous pourrons bientôt profiter de toutes les possibilités ouvertes par ce matériau.

Le graphène, pour quoi faire ?

Si son utilisation en masse n’est pas prévue pour aujourd’hui, le graphène fait preuve d’une extraordinaire polyvalence, laissant place à de multiples applications.

A partir de ce matériau, des technologies qui semblaient auparavant appartenir à l’imagination de quelques illuminés trouvent un sens de plus en plus concret. Ses domaines d’utilisation sont a priori sans limite, que ce soit :

Dans l’informatique :
- De nouveaux transistors remplaçant ceux, classiques, en silicium. Les transistors actuels atteignant leur limite absolue de miniaturisation (14 nanomètres), cela pourrait être le signal de départ pour les ordinateurs ultrarapides de demain.
- Des disques durs ayant une capacité de stockage pouvant dépasser le Pétaoctet (soit plus de 1 000 To).
Dans le numérique en général :
- Des téléviseurs “Organic LED” (ou OLED), qui utilisent un écran beaucoup moins coûteux et peu gourmand en énergie.
- Des appareils photo, des microscopes, voire des lentilles de contact permettant de voir dans l’obscurité.
- De nouveaux réseaux de télécommunication ultrarapides. Le graphène étant totalement imperméable, on peut également imaginer qu’il remplacera l’actuelle fibre optique, avec des débits de connexion largement supérieurs.
- Des écrans enroulables et pliables extrêmement fins (on rappelle que le graphène n’a aucune épaisseur). On peut aisément imaginer un ordinateur ressemblant peu ou prou à un journal papier, aussi malléable que ce dernier.

Les écrans ultra-flexibles, bientôt une réalité ?

Dans l’environnement
- Des panneaux solaires capables de convertir 42% de l’énergie qu’ils reçoivent (contre 16% actuellement).
- Des batteries avec une autonomie plus de 10 fois supérieure à celle de nos ordinateurs, tablettes et téléphones actuels, pouvant également résoudre le problème d’autonomie des voitures électriques.
- Le graphène pourrait également dessaler l’eau de mer. Un feuillet de graphène possédant des pores d’un nanomètre de diamètre serait perméable à l’eau et ne se laisserait traverser que par des molécules H2O, permettant un phénomène d’osmose des centaines de fois plus rapides qu’avec les membranes habituelles. On pourrait ainsi produire de grandes quantités d’eau douce avec de l’eau de mer très rapidement. Sa robustesse est suffisante pour supporter la pression requise pour la désalinisation.
Dans l’aérospatial
- La légèreté du matériau permettrait de créer des avions bien plus rapides qui émettraient moins de gaz nocifs dans l’atmosphère.
Dans le médical
- Des vaccins contre le cancer. Lire l’article de ScienceDaily pour plus d’informations.
- Des capteurs à tatouer sur les dents aptes à détecter les pathologies de l’hôte.
Dans le monde du sport et du textile
- Des raquettes de tennis dont la tête en en partie composée de graphène sont d’ores et déjà vendues sur le marché.
- Des clubs de golf, cannes à pêche et arcs plus légers et résistants.
- Le leader industriel du graphène, l’entreprise Vorbecek, prévoit d’utiliser ce matériau afin de créer des vêtements qui pourront être ultra résistants.

Le fabricant HEAD produit une gamme de raquettes utilisant du graphène, profitant de la légèreté et de la solidité du matériau

En bref

Si l’on devait donner une image de l’avenir, elle serait à l’image du graphène. Encore impensable par la science il y a peu, celui-ci devient de plus en plus concret au fil des avancées scientifiques et de la baisse de son coût de production, encore trop élevé en comparaison avec d’autres matériaux comme la fibre de carbone.

Cependant, nombreux sont les projets qui attendent sa venue. Que ce soit dans le numérique, l’aéronautique ou le médical, les incroyables innovations permises par l’utilisation de ce matériau miracle promettent de transformer toute une facette de l’économie, jusqu’à impacter notre propre mode de vie. Déjà présent à échelle réduite dans certains secteurs, il ne s’agit pas là d’un mirage lointain, mais bien d’un train en marche pour lequel la seule barrière à franchir est financière. Préparons-nous à l’arrivée du graphène, car elle est pour bientôt.