Le graphène est un matériau remarquablement résistant étant donné qu'il n'a qu'un seul atome de carbone d'épaisseur. Mais trouver des moyens d'en faire quelque chose – c'est aussi abordable – a toujours été un défi.

Les scientifiques sont depuis longtemps enthousiasmés par le potentiel du graphène à révolutionner les technologies, et même le considérer comme une technologie en soi. Le graphène est le conducteur d'électricité et de chaleur le plus connu. C'est également la surface la plus fine et représente le matériau miracle de nouvelle génération pour les applications quotidiennes en électronique.

Le prix Nobel de physique 2010 a été décerné à Konstantin Novoselov et Andre Geim pour leurs travaux pionniers sur les propriétés électroniques du graphène.

Il s'en est suivi beaucoup de battage médiatique dans le monde de la science avec des concepts pour révolutionner les affichages électroniques et les circuits. Ces deux domaines constituent la base de nombreuses technologies, l'impact du graphène était donc important.

Comment faire du graphène

Pour de telles applications, le graphène devait être produit industriellement sous forme de grands films minces sur un matériau de support. Cela a mis en évidence deux voies vers lesquelles le graphène pourrait être dirigé :en tant que composant électronique; ou en tant que technologie principale.

Mais ces directions étaient plutôt étroites, car ils ne se concentraient que sur les exploits commerciaux potentiels impliquant les industries électroniques.

La demande exagérée de graphène à commercialiser a rapidement dépassé les défis qui se chevauchent concernant le traitement des nanomatériaux. En tant que tel, malgré toute l'excitation, le graphène n'a pas encore été largement utilisé car il est chimiquement difficile à traiter.

Laissez la chimie trouver une utilisation

En 2009, j'ai développé la première technique pour produire chimiquement du graphène en quantités à l'échelle industrielle.

Il était clair que la chimie avait un rôle clé à jouer dans l'utilisation future du matériau. Nous pourrions maintenant créer des quantités de grammes et de kilogrammes de feuilles de graphène atome par atome en utilisant des réactions chimiques.

Mon travail a conduit à de nombreuses tentatives de chercheurs du monde entier pour trouver des techniques plus viables pour produire du graphène. Chaque tentative d'être inventif, excentrique, ou plus innovant par rapport à l'art antérieur.

Nous avons trouvé une avenue où un appareil coûteux n'était plus nécessaire et où la poudre de graphène pouvait être transportée avec une durée de vie prolongée. C'est désormais un objectif commun aux chercheurs.

Ce développement a surmonté un locataire clé qui a été négligé à l'ère de la physique :le graphène est essentiellement un matériau qui n'est qu'une surface. L'interface à une surface est l'endroit où des choses passionnantes se produisent et où les chimistes opèrent.

Pour faire quelque chose d'utile avec une surface, il en faut beaucoup, et nous avions maintenant beaucoup de graphène. Les options pour obtenir beaucoup de matériel de graphène sont simples. Soit commencer par extraire du graphite du sol des gisements naturels, ou vous le faites chimiquement en laboratoire.

Le graphène produit chimiquement offre une surface relativement importante pour effectuer des réactions chimiques passionnantes. Cela équivaut à avoir un beau terrain de football lisse pour déplacer un ballon de football.

Des trucs non collants ce graphène

Mais changer la structure chimique du graphène tout en conservant ses superbes propriétés physiques est incroyablement difficile. Ceci est dû à un paradoxe qui permet l'existence même du graphène :la stabilité remarquable de la surface du graphène.

Les molécules comme les métaux et les gaz nécessaires au stockage de l'énergie ne collent tout simplement pas au graphène. Imaginez si tout ce que vous avez placé sur votre table ne cessait de tomber – la table ne serait pas d'une grande utilité.

Les tentatives pour changer la nature chimique du graphène se sont concentrées sur la fixation d'un petit nombre de molécules. Cela a limité l'utilisation du graphène dans les nanotechnologies, comme la prochaine génération de batteries, les films d'énergie solaire et les piles à combustible impliquent des réactions chimiques plus complexes.

Les applications qui verraient le graphène utilisé dans ces technologies nécessiteraient des molécules avec une chimie polyvalente collée au graphène.

Obtenez du bore à bord

Avec mes collègues, nous avons créé un nouveau matériau hybride de graphène en attachant directement des amas de bore à la surface du graphène.

L'astuce consistait à utiliser le réseau conjugué stable du graphène pour piéger un amas de bore hautement réactif. La fixation de ces types de produits chimiques ouvre des propriétés matérielles entièrement nouvelles et intéressantes, telles que des fonctionnalités améliorées et une réactivité organisée hiérarchiquement.

Par exemple, le matériau pourra bientôt être utilisé pour interagir avec des molécules biologiques, récolter la lumière du soleil pour une utilisation dans les cellules solaires, et des métaux d'ancrage pour un stockage efficace de l'hydrogène.

Le travail fournira un aperçu de la façon dont les matériaux de graphène conservent leur fonction après un traitement à grande échelle. Nous pouvons maintenant effectuer des réactions chimiques exactes sur le graphène qui se traduiront finalement par des technologies à base de graphène plus fiables et plus abordables.

Nous avons repoussé les limites à l'échelle nanométrique et avons commencé à trouver de nouvelles façons de créer des matériaux à partir de zéro avec des propriétés fascinantes qui peuvent être commercialisées.

Cette histoire est publiée avec l'aimable autorisation de The Conversation (sous Creative Commons-Attribution/Pas de dérivés).