Des chercheurs de l'Institut de chimie physique de l'Académie polonaise des sciences de Varsovie ont mis au point une solution à faible coût, méthode simple à mettre en œuvre pour la production chimique de revêtements de graphène d'une épaisseur de quelques centaines de nanomètres. La photo montre Izabela Kamiska, un doctorat étudiant de l'IPC PAS, présentation de la structure du graphène. Crédit :IPC PAS, Grzegorz Krzyzewski
Considéré par beaucoup comme le matériau le plus prometteur du futur, le graphène reste une substance chère et difficile à fabriquer. Chercheurs de l'Institut de chimie physique de l'Académie polonaise des sciences à Varsovie, et l'Institut de recherche interdisciplinaire de Lille a développé une méthode à faible coût pour la fabrication de feuilles de graphène multicouches. La nouvelle méthode ne nécessite aucun équipement spécialisé et peut être mise en œuvre dans n'importe quel laboratoire.
Une méthode à faible coût de production de feuilles de graphène a été développée en coopération dans le cadre d'un projet de recherche par des équipes de l'Institut de Chimie Physique de l'Académie Polonaise des Sciences (IPC PAS) à Varsovie et de l'Institut de Recherche Interdisciplinaire (IRI) à Lille, La France. La méthode est suffisamment simple pour être fournie dans presque tous les laboratoires du monde.
Le graphène a été découvert en 2004, en décollant les couches de carbone du graphite à l'aide d'un scotch ordinaire. "Dans ce qui avait été décollé, les chercheurs ont pu trouver des feuilles d'un atome d'épaisseur. Et c'était du graphène. Si nous pensons aux applications industrielles du graphène, nous devons trouver des méthodes mieux contrôlées pour produire ce matériau à grande échelle, sans utiliser un coûteux, équipement spécialisé", dit Izabela Kamińska, un doctorant de l'IPC PAS, boursier de la Fondation pour la science polonaise dans le cadre du programme international de projets de doctorat. Kamińska a mené ses expériences à l'Institut international de recherche.
Vu la structure, Le graphène est un système bidimensionnel composé d'anneaux de carbone à six chaînons. Le réseau de graphène hexagonal ressemble à un nid d'abeilles, à la différence que la feuille de graphène a l'épaisseur la plus faible possible :d'un atome seulement.
Les propriétés inhabituelles du graphène sont étroitement liées à sa structure unique. Le graphène est presque entièrement transparent, plus de cent fois plus résistant que l'acier et très flexible. En même temps, il présente une excellente conductivité thermique et électrique, ce qui en fait un bon matériau pour les applications en électronique, par exemple. pour la fabrication mince, des affichages flexibles et puissants ou des circuits de traitement rapides. Il convient également comme matériau pour divers capteurs.
Il s'agit d'une visualisation d'une feuille d'oxyde de graphène (en haut à gauche) et d'une surface de graphène avec des molécules de tertathiafulvalène (TTF) attachées (en bas à droite). Les cycles de graphène sont composés de six atomes de carbone, Anneaux TTF - de trois atomes de carbone et deux atomes de soufre. Crédit :IPC PAS, Piotr Gdziorowski
Les méthodes existantes de fabrication du graphène - y compris le dépôt de couche épitaxiale sur un substrat métallique ou du carbure de silicium, ou dépôt chimique ou physique en phase vapeur - nécessitent équipements spécialisés et procédés de fabrication complexes. Pendant ce temps, le seul appareil plus complexe utilisé dans le procédé de fabrication des feuilles de graphène développé à l'IPC PAS et à l'IRI est un nettoyeur à ultrasons, un équipement commun à de nombreux laboratoires.
Le nouveau processus de production de feuilles de graphène commence avec du graphite, l'un des allotropes de carbone, au niveau moléculaire ressemblant à un sandwich composé de nombreux plans de graphène. Ces feuilles sont difficilement séparables. Pour affaiblir les interactions entre eux, le graphite doit être oxydé, ce qui est généralement accompli avec la méthode de Hummers. Une poudre ainsi obtenue – de l'oxyde de graphite – est ensuite mise en suspension dans l'eau et placée dans un nettoyeur à ultrasons. Les ultrasons exfolient les feuilles de graphène oxydé les unes des autres et le colloïde résultant contient des flocons d'oxyde de graphène uniques d'un diamètre d'environ 300 nanomètres.
Les chercheurs de l'IPC PAS et de l'IRI ont utilisé de l'oxyde de graphène fabriqué à la Division des sciences des matériaux de l'Institut des sciences et technologies du Nord-Est (NEIST) à Dispur, Inde. "Les colloïdes d'oxyde de graphène d'un atome d'épaisseur étaient un bon matériau de départ, mais de nombreux groupes fonctionnels oxygénés sont devenus une réelle difficulté. Le problème était qu'ils modifiaient radicalement les propriétés physico-chimiques du matériau. Au lieu d'un excellent conducteur nous avions... un isolant", explique Kamińska.
Pour éliminer l'oxygène des flocons de graphène, les chercheurs de l'IPC PAS et de l'IRI ont décidé d'utiliser des interactions d'empilement pi-pi non covalentes entre les cycles carbonés de l'oxyde de graphène et les cycles aromatiques d'un composé appelé tertathiafulvalène (TTF). Une molécule de TTF est composée de deux cycles contenant chacun trois atomes de carbone et deux atomes de soufre. "Pratiquement, il suffisait de mélanger de l'oxyde de graphène avec du tertathiafulvalène, puis passer le tout dans un nettoyeur à ultrasons. Les interactions entre les anneaux TTF et les anneaux d'oxyde de graphène ont entraîné une réduction de l'oxyde de graphène en graphène avec une oxydation simultanée des molécules de TTF", décrit Kamińska.
Par conséquent, le composite obtenu contenait des flocons de graphène avec des molécules de TTF intercalées dedans. Une goutte de la solution composite a ensuite été déposée sur une électrode et séchée. Les flocons de graphène formaient à la surface un revêtement lisse d'une épaisseur contrôlable de 100 à 500 nm qui était composé de quelques dizaines à quelques centaines de feuilles de graphène alternées et de molécules de TTF.
La dernière étape de la production du revêtement de graphène consistait à expulser les molécules de tertathiafulvalène, qui a été atteint par une simple réaction chimique avec un composé sélectionné de manière appropriée.
"L'une de nos motivations pour la recherche était de rechercher de nouvelles méthodes pour détecter les substances biologiques. C'est pourquoi, après avoir expulsé le TTF du revêtement de graphène, nous avons immédiatement vérifié si nous pouvions réincorporer le produit chimique dans la matrice. Il s'est avéré que oui. possible de développer un procédé permettant de lier un composé sélectionné à une molécule de TTF, puis d'incorporer l'ensemble du complexe dans une feuille de graphène sur une électrode et de surveiller le flux de courant électrique", résume le Pr Marcin Opaño (IPC PAS).
Une publication décrivant la nouvelle méthode est parue au début de cette année dans la revue Communications chimiques , avec la couverture montrant la visualisation par ordinateur des feuilles de graphène avec TTF. Maintenant, les chercheurs de l'IPC PAS et de l'IRI poursuivent leurs travaux sur une nouvelle diminution de l'épaisseur de la matrice de graphène. L'étape finale a également atteint les expériences qui montrent qu'il est possible d'incorporer dans la feuille de graphène des molécules de TTF avec du mannose attaché (un des monosaccharides).
