Une feuille de graphène ressemble à un nid d'abeilles à l'échelle atomique. enot-poloskun/Getty Images En 2004, deux scientifiques de l'Université de Manchester ont mené une expérience d'une simplicité trompeuse avec des conséquences susceptibles de changer le monde. Les chercheurs, André Geim et Konstantin Novoselov, jouaient avec du graphite, les trucs dans la pointe de votre crayon. Le graphite est composé de feuilles ultrafines 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 incroyablement mince de carbone mesurant seulement un atome d'épaisseur.
Donc, ils ont attrapé un rouleau de ruban adhésif. Oui, le même ruban transparent dans l'applicateur en plastique que vous gardez dans votre tiroir à déchets. Voici comment Geim a décrit sa technique, tel que rapporté par la BBC.
« Vous mettez [du ruban adhésif] sur du graphite ou du mica et épluchez la couche supérieure. Il y a des flocons de graphite qui se détachent sur votre ruban. Ensuite, vous pliez le ruban en deux et le collez aux flocons du dessus et les divisez à nouveau. Et vous répétez cette procédure 10 ou 20 fois. les flocons se séparent en flocons de plus en plus fins. À la fin, vous vous retrouvez avec des flocons très fins attachés à votre ruban. Vous dissolvez la bande et tout passe en solution."La méthode du ruban adhésif a fonctionné ! En isolant une feuille de carbone monocouche, Geim et Novoselov ont été crédités d'avoir découvert un tout nouveau matériau appelé graphène qui est maintenant considéré comme le plus fort, substance la plus légère et la plus conductrice de l'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 "supermatériau" remarquable pour construire des batteries plus puissantes et plus durables, puces électroniques plus rapides, circuits flexibles, biocapteurs implantables et plus. Une décennie plus tard, le graphène n'a pas encore tenu ses promesses tant attendues, mais les initiés sont convaincus que nous verrons enfin des smartphones, voitures électriques et capteurs utilisant la technologie à base de graphène dans les prochaines années.
Mesurant à seulement un atome d'épaisseur, une feuille de graphène coche toutes les cases d'un supermatériau :
Le graphène tire ses super pouvoirs de sa structure. Si vous pouviez zoomer suffisamment près, vous verriez qu'une feuille de graphène ressemble à un nid d'abeilles à l'échelle atomique. Les atomes de carbone individuels sont disposés selon un motif hexagonal qui ressemble à du grillage à poule. Chaque atome de carbone dans une feuille de graphène est lié de manière covalente à trois autres éléments de carbone, ce qui donne au matériau sa force incroyable.
Pourquoi le graphène conduit-il si bien l'électricité ? De nouveau, à cause de la façon dont ces atomes de carbone sont liés. Chaque atome de carbone a quatre électrons dans sa couche externe, mais seulement 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 avec presque aucune résistance. En réalité, Le graphène est le conducteur d'électricité le plus rapide à température ambiante de toutes les substances connues.
Chez Cabot Corporation, le chercheur principal Matt Hesketh examine la progression du graphène dans trois flacons. La fiole de gauche est en graphite, celui du milieu est en graphite expansé, et celui de droite est le graphène. John Tlumacki/The Boston Globe via Getty Images
Une découverte récente pourrait ajouter une autre superpuissance à la liste de vantardise du graphène. Une équipe du Massachusetts Institute of Technology (MIT) expérimentait avec du graphène à double couche - deux couches de graphène à un seul atome empilées - lorsqu'elle est tombée sur un nouveau, propriété presque magique du graphène. Lorsque les couches sont légèrement décalées les unes des autres - 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 aucune résistance et sans chaleur.
La découverte de "l'angle magique" du graphène a envoyé des ondes de choc dans la communauté scientifique. Bien que l'expérience ait été menée à des températures extrêmement basses (près de 0 degrés Kelvin ou moins 459,67 F), il 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.
La supraconductivité est encore dans des décennies, mais les produits révolutionnaires à base de graphène arrivent sur le marché beaucoup plus tôt, dit 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, " dit Ferrari, "y compris les piles, photonique, caméras de vision nocturne et plus."
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'éteignent après un certain nombre de cycles. C'est parce que le processus électrochimique qui alimente les batteries lithium-ion génère beaucoup de chaleur.
Mais puisque le graphène est le conducteur électrique le plus efficace au monde, il produit beaucoup moins de chaleur lors de la charge ou de la décharge d'électricité. Les batteries à base de graphène promettent des vitesses de charge cinq fois plus rapides que le lithium-ion, autonomie trois fois plus longue, et cinq fois plus de cycles avant de devoir être remplacés.
Des sociétés d'électronique comme Samsung et Huwei développent activement des batteries à base de graphène pour les smartphones et autres gadgets, mais le plus tôt ceux-ci arriveront sur le marché est 2021. Quant aux batteries au graphène dans les voitures électriques - qui pourraient considérablement augmenter leur rayon de conduite - c'est encore dans quelques années. Toute une industrie a été construite sur la technologie lithium-ion et elle ne changera pas du jour au lendemain.
"L'industrie des batteries est très conservatrice, " dit Jésus de la Fuente, PDG de Graphanea, une entreprise qui fabrique et vend du graphène pur et des puces à base de graphène aux chercheurs universitaires et aux départements de R&D. "Cela peut 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 ne sont que la pointe de l'iceberg, dit Ferrari, qui est également le responsable scientifique et technologique du Graphene Flagship, une collaboration d'un milliard d'euros de l'Union européenne pour accélérer le développement de la technologie du graphène. Les partenaires de recherche avec le Flagship fabriquent déjà des batteries au graphène qui surpassent les meilleures cellules à haute énergie d'aujourd'hui de 20 % de capacité et de 15 % d'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.
Alors que les batteries au graphène pourraient être les premières sur le marché, les chercheurs sont occupés à développer d'innombrables autres applications pour ce matériau miracle.
Les biocapteurs sont un gros problème. Imaginez une puce incroyablement fine et flexible qui peut être injectée dans la circulation sanguine pour surveiller les données de santé en temps réel comme les niveaux d'insuline ou la pression artérielle. Ou une interface en graphène qui envoie des signaux au cerveau pour détecter une crise d'épilepsie à venir ou même l'empêcher. Mince, les capteurs extensibles peuvent également être portés sur la peau ou tissés dans le tissu des vêtements.
Professeur de physique Dr. Yan Fung, détient une nouvelle invention de cellules solaires semi-transparentes à faible coût avec des électrodes de graphène à l'Université Poly à Hung Hom, Chine, 2015. David Wong/South China Morning Post via Getty Images La photonique est un autre domaine qui intègre déjà le graphène. En intégrant du graphène dans des puces photosensibles, les caméras et autres capteurs peuvent grandement améliorer la sensibilité aux ondes lumineuses les plus faibles à travers le 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 d'eau construits avec des polymères de graphène peuvent se lier aux contaminants organiques et inorganiques dans l'eau potable. Les chercheurs du Graphene Flagship ont également créé des technologies de dessalement basées sur des diodes au graphène qui peuvent éliminer plus de 60% du sel de l'eau de mer à des fins agricoles et autres.
Tous ces développements prendront du temps, mais Ferrari au Cambridge Graphene Center est convaincu que le graphène sera à la hauteur de son battage médiatique. En réalité, il est également enthousiasmé par les propriétés encore non découvertes des 2 estimés, 000 autres matériaux monocouches qui sont également isolés, méthode du ruban adhésif ou autre.
"On dit graphène, mais nous parlons vraiment d'un grand nombre d'options qui sont explorées, " dit Ferrari. " Les choses évoluent dans la bonne direction. "
Maintenant c'est coolLe fabricant d'équipements sportifs Head a été l'un des premiers à sauter dans le train du graphène. Sa raquette de tennis Graphene XT prétend être 20% plus légère que les raquettes avec le même poids de swing.
