(Phys.org) —Un matériau ne peut pas devenir plus fin. Le graphène est constitué d'une seule couche d'atomes de carbone. Cependant, ce n'est pas la seule raison pour laquelle les scientifiques des matériaux s'intéressent à ce matériau :ils sont principalement fascinés par ses propriétés extraordinaires. Linjie Zhi et son groupe de partenaires du Max Planck Institute for Polymer Research utilisent la chimie pour optimiser le graphène pour diverses applications.

Graphène, une fine couche de carbone avec une structure rappelant le grillage, est le touche-à-tout de la recherche de matériaux. C'est juste une couche atomique d'épaisseur, en laboratoire est 200 fois plus résistant que l'acier, conduit l'électricité 100 fois mieux que le silicium, est aussi souple qu'un plastique, et en couches individuelles est presque aussi transparent que le verre. Les physiciens et les scientifiques des matériaux sont enthousiastes. Mais les scientifiques d'autres disciplines montrent peu d'intérêt.

Assez faux, croit Linjie Zhi :« Jusqu'à présent, la recherche scientifique s'est presque exclusivement concentrée sur les propriétés physiques du graphène, mais son comportement chimique est au moins aussi excitant", dit le chimiste. Zhi, qui, au Centre national des nanosciences et de la technologie à Pékin, dirige le groupe de partenaires « Nanomatériaux riches en carbone » de l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères à Mayence utilise la chimie du matériau pour optimiser ses propriétés pour des applications spécifiques.

Dans son laboratoire au huitième étage du Centre national des nanosciences et de la technologie à Pékin, il existe d'innombrables flacons contenant ce qui à première vue semble être un contenu indescriptible. Les conteneurs sont soigneusement étiquetés - dans un mélange de chiffres et de caractères chinois. Leur contenu est principalement d'un noir profond, mais parfois aussi brun rouille car, en grand nombre, les feuilles de graphène absorbent beaucoup de lumière. La plupart des flacons contiennent une poudre; quelques, cependant, tenir un épais, liquide sombre.

Toutes les substances, bien que, sont des particules de graphène sous différentes formes et compositions. Ils sont destinés à être utilisés comme produits de départ de réactions chimiques pour créer des batteries plus performantes, des écrans tactiles plus flexibles et des catalyseurs plus efficaces. "Fondamentalement, le graphène n'est rien de plus qu'un élément extrêmement intéressant pour de nouvelles applications", dit Zhi.

Son intérêt pour le matériau merveilleux, dont la première production expérimentale a reçu un prix Nobel en 2010, remonte à loin :après avoir obtenu son doctorat en chimie du charbon, Zhi a travaillé pendant cinq ans dans le groupe de chimie synthétique de Klaus Müllen à l'Institut Max Planck de recherche sur les polymères, où il a appris à connaître et à aimer le graphène. "Après quelques années, nous avons travaillé cela, en utilisant la bonne stratégie, les blocs de construction de graphène peuvent être utilisés pour produire des matériaux très prometteurs avec des propriétés uniques", dit le chimiste.

Lorsque Zhi est retourné en Chine en 2008 et a créé son propre groupe de travail, ce savoir n'est pas tout ce qu'il rapporte avec lui - il a aussi ses contacts en Allemagne. "Il était tout simplement logique de mettre l'expérience de synthèse du professeur Müllen avec l'expertise des matériaux du professeur Zhi dans un groupe partenaire", dit Manfred Wagner, qui coordonne les activités sino-allemandes à Mayence.

Les plaquettes de graphène utilisées dans le laboratoire de Zhi comme matériau pour toutes sortes d'applications se composent de quelques centaines, parfois aussi quelques milliers, atomes de carbone. Par eux-mêmes, cependant, les molécules bidimensionnelles, qui peut mesurer jusqu'à dix nanomètres, montrent peu d'intérêt à se combiner les uns avec les autres. Ils sont comme des briques Lego sans les boutons.

Mais c'est une autre histoire une fois que le graphène a été traité chimiquement. Une approche très prometteuse, que les chimistes de l'équipe de Klaus Müllen étudient déjà depuis un certain temps, consiste à incorporer d'autres atomes ou groupes d'atomes à des emplacements précisément définis dans la structure du graphène :azote, l'oxygène ou un groupe hydroxyle constitué d'oxygène et d'hydrogène ont des niveaux d'activité chimique différents et se comportent également différemment du carbone. S'ils sont placés au bon endroit, le potentiel de réaction du bloc de graphène est modifié à cet endroit, résultant en la formation de boutons virtuels. De plus grandes structures peuvent maintenant être assemblées.

Le seul hic est de placer les groupes ou atomes chimiquement actifs dans la bonne position. "Les bonnes conditions de réaction sont absolument vitales", dit Linjie Zhi. Température, pression, pH, la composition de la solution ou de l'atmosphère dans laquelle se déroule la réaction, déterminer le résultat final. "Les liaisons chimiques se forment souvent dans des conditions précisément définies, ce qui signifie que nous pouvons sélectionner la position exacte de nos molécules", dit Zhi.

Les conditions doivent également être réunies pour la prochaine étape :l'assemblage chimique du graphène manipulé. Si les conditions sont réunies, des structures aux propriétés surprenantes peuvent finalement être obtenues - par exemple, pour les nouvelles batteries :les batteries lithium-ion d'aujourd'hui utilisent du graphite comme anode (c'est le nom que les physiciens donnent à l'électrode qui accepte les particules chargées négativement), une forme de carbone qui se compose essentiellement de milliers de couches de graphène. "Ces couches sont, cependant, trop étendu pour des applications efficaces", dit Zhi. Les ions ne peuvent pas facilement pénétrer, et charger et décharger les batteries prend beaucoup de temps.

La situation est différente pour les plaquettes de graphène produites à Pékin :elles sont suffisamment grosses pour bien conduire l'électricité, mais pas si gros que les ions ne puissent plus accéder facilement au matériau. Afin de construire de meilleures batteries, Zhi et son équipe placent les blocs de construction chimiquement modifiés dans une sorte de tunnel de quelques nanomètres seulement. Dans le tunnel, des colonnes de couches de graphène parfaitement ordonnées se forment qui peuvent, à son tour, être traité pour former une électrode poreuse. Étant donné que les colonnes sont extrêmement minces, les ions de batterie chargés négativement peuvent facilement libérer leur charge.

"Alors qu'aujourd'hui, il faut compter huit à dix heures pour recharger une voiture électrique, avec nos batteries, cela ne prendrait qu'une heure", dit Zhi. Ce que cette nouvelle technique peut vraiment accomplir est actuellement à l'étude dans le laboratoire voisin où des dizaines de batteries autofabriquées, ressemblant à des piles bouton enveloppées dans un film plastique, sont suspendus à des instruments de mesure et traversent des cycles de test. Les premiers résultats semblent encourageants.

Une autre salle accueille l'autre expérimentation majeure sur laquelle travaille actuellement le Groupe Partenaire :des écrans tactiles flexibles avec électrodes en graphène. Les smartphones d'aujourd'hui utilisent principalement des contacts électriques d'oxyde d'indium-étain dans leurs écrans tactiles, qui est un matériau fragile dont le prix a augmenté de façon fulgurante ces dernières années en raison de la diminution des réserves d'indium.

Graphène, qui est simultanément conducteur, transparent et flexible, est déjà considérée depuis longtemps comme une alternative très prometteuse. Ce qui manquait jusqu'à présent, c'est un processus de production capable de produire les films à faible coût, de haute qualité et à grande échelle. Dans la méthode actuellement préférée, dépôt chimique en phase vapeur (CVD), les atomes de carbone sont déposés par exemple sur une surface métallique où ils forment un film mince de graphène. Cependant, celui-ci doit ensuite être transféré sur un film support qui est coûteux et souvent détériorant la qualité.

Au huitième étage du Centre national des nanosciences et technologies, Zhi et ses collègues parient sur la chimie comme réponse :les chercheurs basés à Pékin prennent du graphite, le convertir en oxyde de graphène, produire un film mince sur un film de polyéthylène, puis chasser l'oxygène de l'oxyde de graphène dans une réaction chimique connue sous le nom de réduction. Cependant, les films résultants sont souvent de mauvaise qualité avec beaucoup de défauts.

Une petite ligne de production dans le laboratoire de Linjie Zhi montre que les choses peuvent tourner différemment. Au début de la ligne, il y a le bien roulé, film non traité. A la fin se trouvent des installations de traitement du produit fini. La réaction réelle a lieu au milieu, dans une boite marron indescriptible, c'est aussi là qu'il faut le plus de travail :« En gros, il s'agit de trouver le bon processus de sélection", dit Linjie Zhi. "Nous avons besoin de blocs de construction fiables et aussi grands que possible, travailler le mieux possible, et avoir le moins de défauts possible."

Après trois ans en tant que groupe partenaire du Max Planck Institute for Polymer Research, les résultats sont désormais devenus « extrêmement prometteurs », dit Zhi. Les films de graphène produits par la petite ligne de production ont une qualité acceptable, transparence et conductivité. Par dessus tout, cependant, ils sont nettement moins chers que les produits concurrents obtenus par dépôt en phase vapeur.

Cela a suscité un intérêt industriel. Les premières négociations avec les entreprises désireuses d'exploiter la nouvelle technologie à une échelle commerciale sont déjà en cours.