(PhysOrg.com) -- Dans le roman du XIXe siècle, Terrain plat, par Edward A. Abbott, les résidents de ce pays fictif n'existent que dans deux dimensions. Les femmes sont nées en tant que segments de ligne, tandis que les hommes se présentent sous une gamme de formes géométriques reflétant leur rang, de petits triangles isocèles, aux places bourgeoises, aux hexagones à six côtés, réservé à la noblesse.

Les contraintes de la vie sur un plan plat reflètent satiriquement la structure de classe victorienne rigide de l'époque d'Abbott. Lorsque le narrateur de l'histoire découvre une troisième dimension, la taille, il essaie de communiquer ce concept libérateur à ses compatriotes Flatlanders, et se retrouve en prison.

Graphène, une version réelle de Flatland, consiste en rangées sur rangées d'anneaux hexagonaux d'atomes de carbone assemblés dans un motif en nid d'abeille plat d'une épaisseur d'un seul atome.

Cette échelle atomique fait du graphène une partie du nano-monde, où les objets mille fois plus fins qu'un cheveu humain ne suivent plus les lois naturelles familières telles que la friction et la gravité.

Tout comme le narrateur de Flatland s'élève au-dessus de son existence restreinte pour expérimenter la vie dans une autre dimension, les objets à l'échelle nanométrique obéissent à un nouvel ensemble de règles :les lois « effrayantes » de la mécanique quantique.

bizarreries quantiques

L'un des effets de la mécanique quantique les plus excitants du graphène est la vitesse élevée à laquelle les électrons peuvent le traverser en raison d'un manque de friction. Ce transport dit « balistique » pourrait conduire à une nouvelle génération de super-rapides, électronique ultra-efficace.

En outre, pour sa taille, le graphène est plus résistant et plus flexible que l'acier. Il conduit la chaleur 10 fois plus vite que le cuivre et peut en transporter 1, 000 fois la densité de courant électrique que les fils de cuivre.

En réalité, La structure du graphène lui confère de nombreuses optiques uniques, thermique, propriétés mécaniques et électriques, des ingénieurs et des scientifiques passionnants du monde entier avec de nouvelles possibilités grandioses pour toutes sortes d'applications.

Cultiver du graphène

Le graphène a été découvert par des scientifiques du début du XXe siècle qui ont étudié le graphite commun à l'aide de la spectroscopie aux rayons X. Bien qu'ils puissent dire que le graphite était composé d'un empilement de couches individuelles de graphène, personne n'a vu à l'époque l'utilité de ces couches ultrafines.

Dans les années 1990, les scientifiques ont appris à fabriquer des nanotubes de carbone (CNT), qui sont minuscules, tubes enroulés d'atomes de carbone disposés dans le même motif de grillage hexagonal que le graphène.

Ce n'est qu'en 2004 que les scientifiques ont mesuré les propriétés électroniques de fines couches de graphène après avoir séparé des flocons de mine de crayon graphite à l'aide de ruban transparent. Mais cette méthode fastidieuse de création de graphène ne fonctionnerait jamais pour un produit commercialement viable.

Surpasser le silicium

Pendant ce temps, Les scientifiques de Georgia Tech Walter de Heer, Claire Berger (également affiliée au CNRS, France) et Phillip First avait travaillé avec des CNT. Ils espéraient utiliser les tubes à l'échelle nanométrique pour accélérer la prochaine génération de composants microélectroniques qui dépasseraient la capacité de l'électronique au silicium.

Mais même si les NTC avaient une vitesse de transport balistique des électrons, ils étaient difficiles à assembler en circuits intégrés.

En 2001, de Heer pensait que peut-être le graphène bidimensionnel pourrait être utilisé comme matériau électronique également, puisqu'il est à la base des nanotubes de carbone. Cette année, il a soumis une proposition de recherche à la National Science Foundation (NSF) pour une subvention afin d'étudier l'utilisation du graphène en électronique.

De Heer et son équipe ont eu l'idée de faire pousser une couche plate de graphène là où elle serait utilisée sur une puce, et dans la taille et la forme exactes nécessaires, afin qu'il puisse être pré-intégré dans un appareil électrique. Ce serait beaucoup plus facile que de produire les délicats NTC, les transférer à un autre endroit, puis les connecter avec un fil métallique à un circuit.

Premier brevet de graphène

En 2003, l'équipe de Georgia Tech a été la première à déposer un brevet pour un procédé de fabrication de dispositifs électroniques simples utilisant du graphène produit par épitaxie (l'épitaxie signifie la croissance d'une couche d'une substance sur un autre matériau afin que les deux matériaux aient la même orientation structurelle).

La méthode de base de l'équipe consistait à chauffer une plaquette cristalline de carbure de silicium (SiC) à des températures élevées (supérieures à 1 100 °C). A cette température, les atomes de silicium se sont évaporés de la surface en ne laissant que des atomes de carbone, qui se sont réarrangés dans le motif familier du fil de poulet du graphène.

Le graphène épitaxié peut être cultivé sur différents matériaux de support, selon l'usage qu'on en fait. Un énorme avantage du graphène épitaxié est qu'il utilise les mêmes types de processus chimiques que ceux que les développeurs utilisent déjà pour fabriquer des composants électroniques à base de silicium.

"C'est plus que d'avoir du graphène, " a déclaré de Heer. " Il s'agit en fait d'avoir la plate-forme et les techniques de traitement qui seraient développées en parallèle. "

Depuis leur proposition initiale, de Heer et son équipe, financé par la NSF via le Georgia Tech Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC), ont continué à recevoir d'autres brevets et à publier des dizaines d'articles de recherche sur le graphène épitaxié pour l'électronique. En 2010, de Heer a reçu la médaille MRS de la Materials Research Society pour ses contributions pionnières à la science et à la technologie du graphène épitaxié.

Le graphène le rend plus fort

Les propriétés électroniques supérieures du graphène ne sont pas son seul point fort. Nikhil Koratkar, professeur de mécanique, génie aérospatial et nucléaire à l'Institut polytechnique Rensselaer, utilise des feuilles de graphène pour renforcer les composites céramiques pour les environnements difficiles comme l'espace extra-atmosphérique.

"Je suis très intéressé par le développement d'applications pratiques des nano-matériaux, comme le graphène et les nanotubes de carbone, ", a déclaré Koratkar. "Les nano-composites sont une de ces applications qui peuvent avoir un fort impact."
Koratkar travaille avec Erica L. Corral, professeur adjoint au département de science et ingénierie des matériaux de l'Université de l'Arizona, et spécialiste des composites céramiques.

Avant que Koratkar et Corral ne fassent équipe, le graphène avait été utilisé dans les composites polymères mais jamais dans les céramiques pour améliorer sa résistance mécanique. La céramique fait partie des matériaux les plus résistants aux températures élevées au monde, mais ils ont tendance à être très cassants.

Prévenir les fissures

Dans la recherche de quelque chose à ajouter aux composites céramiques qui empêcherait la fissuration, les scientifiques ont choisi le graphène pour sa résistance mécanique, surface et géométrie. "Le graphène montre une rigidité et une résistance remarquables, " dit Koratkar. " Et même s'il n'a que quelques nanomètres d'épaisseur, il se présente sous forme de feuilles suffisamment grandes pour s'enrouler et s'ancrer solidement autour des grains de céramique pendant le processus de frittage utilisé pour fabriquer la céramique.

Les résultats des recherches de Koratkar et Corral étaient encourageants. « Nous avons montré que le graphène peut durcir les céramiques de nitrure de silicium de plus de 200 %, ", a-t-il déclaré. "La raison de ce durcissement est que les feuilles de graphène bidimensionnelles sont capables de dévier les fissures qui se propagent non seulement dans deux mais dans trois dimensions."

Koratkar et Corral, soutenu par des subventions de la NSF, continuera à explorer l'utilisation du graphène dans d'autres types de céramiques et étudiera les performances du composite avec des pourcentages plus élevés de graphène.

« L'avenir du graphène dans les céramiques devrait déboucher sur un nouveau domaine de recherche sur les matériaux et les systèmes composites bien plus avancés que les systèmes de renforcement unidimensionnels que nous avons utilisés jusqu'à présent, " dit Corral.

Représentation graphique de l'industrie du graphène

Avec autant de recherches sur le graphène en cours dans une multitude d'industries, il est difficile de suivre. Mais Jan Youtie, chercheur en sciences sociales et associé principal de recherche à l'Enterprise Innovation Institute de Georgia Tech, avec son collègue Philip Shapira, professeur à la Georgia Tech's School of Public Policy et à l'Université de Manchester, font exactement cela.

Les chercheurs utilisent un processus appelé « évaluation de la technologie en temps réel » (RTTA) pour comprendre les moral, la dynamique politique et économique de l'industrie des nanotechnologies, dont le graphène. Pour faire ça, ils rassemblent toutes les demandes de brevet et tous les articles scientifiques couvrant le graphène dans une base de données.

"Le graphène a connu une trajectoire abrupte en termes de résultats de recherche et de découvertes, ", a déclaré Youtie. "Cette trajectoire est encore plus précoce et plus abrupte que ce que nous avons vu avec d'autres nanotechnologies."

Les recherches de Youtie et Shapira sont financées par la NSF via le Center for Nanotechnology in Society de l'Arizona State University (CNS-ASU), qui unifie les programmes de recherche de plusieurs universités. Ils ont découvert qu'Atlanta, où se trouve Georgia Tech, est l'un des principaux nœuds de recherche sur le graphène dans le monde, sur la base du nombre total de publications.

Graphène global

« Il y a près de 200 entreprises, y compris les grandes sociétés multinationales et les petites entreprises en démarrage qui se sont impliquées dans le domaine du graphène, ", a déclaré Youtie. "Cela signifie que de nouvelles demandes sont envisagées pendant que la recherche est toujours en cours."

Rien que l'année dernière, Youtie a déposé des brevets utilisant du graphène dans une batterie à alcool Remplisseur de poudre Bakelite™, transistors monocristallins organiques, systèmes de libération contrôlée de médicaments, cellules solaires à colorant, teinture des eaux usées, composites à couche mince/composites conducteurs/composites polymères/composites plastique-bois, panneau de fibres résistant à l'eau, mousse métallique, matériau de cathode de batterie, impression et une pile à combustible à membrane échangeuse de protons.

« Il y a une participation mondiale à la recherche et à la commercialisation du graphène, et les principales entreprises sont de grandes entreprises de Corée et du Japon, avec des entreprises américaines présentes mais pas aussi répandues, " a déclaré Youtie. " L'internationalisation dans ce domaine reflète la transcendance de la nanotechnologie en général au-delà des frontières nationales. "