Vous avez peut-être entendu parler du graphène, une feuille de carbone pur, un atome d'épaisseur, c'est à la mode dans les cercles de science des matériaux, et obtenir également beaucoup de battage médiatique. Les rapports ont claironné le graphène comme un ultra-mince, super fort, supraconducteur, matériau ultra-souple. Vous pourriez être excusé de penser que cela pourrait même sauver toute l'humanité d'un certain malheur.

Pas exactement. Dans le monde actuel de la nano-électronique, il se passe bien plus que du graphène. L'un des matériaux avec lesquels je travaille, le bisulfure de molybdène (MoS₂), est un matériau monocouche avec des propriétés intéressantes au-delà de celles du graphène. MoS₂ peut absorber cinq fois plus de lumière visible que le graphène, ce qui le rend utile dans les détecteurs de lumière et les cellules solaires. En outre, des matériaux encore plus récents comme le borophène (un matériau monocouche composé d'atomes de bore censés être mécaniquement plus résistants que le graphène) sont proposés et synthétisés chaque jour.

Ces matériaux et d'autres encore à découvrir seront utilisés comme des pièces de Lego pour construire l'électronique du futur. En empilant plusieurs matériaux de différentes manières, nous pouvons profiter de propriétés différentes dans chacun d'eux. La nouvelle électronique construite avec ces structures combinées sera plus rapide, plus petite, plus résistant à l'environnement et moins cher que ce que nous avons actuellement.

A la recherche d'un gap énergétique

Il y a une raison principale pour laquelle le graphène ne sera pas le matériau polyvalent polyvalent que le battage médiatique pourrait suggérer. Vous ne pouvez pas simplement empiler du graphène à plusieurs reprises pour obtenir ce que vous voulez. La propriété électronique empêchant cela est l'absence de ce qu'on appelle un « gap énergétique ». (Le terme le plus technique est « bande interdite ».)

Les métaux conduiront l'électricité à travers eux, quel que soit l'environnement. Cependant, tout autre matériau qui n'est pas un métal a besoin d'un peu d'énergie de l'extérieur pour que les électrons se déplacent à travers la bande interdite et dans l'état conducteur. L'ampleur de l'augmentation des besoins matériels s'appelle l'écart énergétique. L'écart énergétique est l'un des facteurs qui détermine la quantité d'énergie totale à mettre dans l'ensemble de votre appareil électrique, de la chaleur ou de la tension électrique appliquée, pour qu'il conduise l'électricité. Vous devez essentiellement mettre suffisamment d'énergie de démarrage si vous voulez que votre appareil fonctionne.

Certains matériaux ont un espace si grand que presque aucune quantité d'énergie ne peut faire circuler des électrons à travers eux. Ces matériaux sont appelés isolants (pensez au verre). D'autres matériaux ont soit un écart extrêmement petit, soit aucun écart du tout. Ces matériaux sont appelés métaux (pensez au cuivre). C'est pourquoi nous utilisons du cuivre (un métal à conductivité instantanée) pour le câblage, tandis que nous utilisons des plastiques (un isolant qui bloque l'électricité) comme revêtement extérieur protecteur.

Tout le reste, avec des écarts entre ces deux extrêmes, est appelé un semi-conducteur (pensez au silicium). Semi-conducteurs, à la température théorique du zéro absolu, se comportent comme des isolants car ils n'ont pas d'énergie thermique pour faire passer leurs électrons à l'état conducteur. À température ambiante, cependant, la chaleur du milieu environnant fournit juste assez d'énergie pour obtenir des électrons (d'où le terme, "semi"-conducteur) sur la petite bande interdite et dans l'état conducteur prêt à conduire l'électricité.

L'écart énergétique du graphène

Le graphène est en fait un semi-métal. Il n'a pas de trou d'énergie, ce qui signifie qu'il conduira toujours l'électricité - vous ne pouvez pas désactiver sa conductivité.

C'est un problème car les appareils électroniques utilisent le courant électrique pour communiquer. À leur niveau le plus fondamental, les ordinateurs communiquent en envoyant des 1 et des 0 – des signaux d'activation et de désactivation. Si les composants d'un ordinateur étaient fabriqués à partir de graphène, le système serait toujours allumé, partout. Il serait incapable d'effectuer des tâches car son manque d'écart énergétique empêche le graphène de devenir un zéro ; l'ordinateur continuerait à lire les 1 tout le temps. Semi-conducteurs, par contre, ont un écart d'énergie suffisamment petit pour permettre à certains électrons de conduire l'électricité, mais suffisamment grand pour qu'il y ait une distinction claire entre les états activé et désactivé.

Trouver les bons matériaux

Tout espoir n'est pas perdu, toutefois. Les chercheurs étudient trois manières principales de s'attaquer à ce problème :

Utiliser de nouveaux matériaux similaires au graphène qui ont en fait un écart énergétique suffisant et trouver des moyens d'améliorer encore leur conductivité.Modifier le graphène lui-même pour créer cet écart énergétique.Combiner le graphène avec d'autres matériaux pour optimiser leurs propriétés combinées.

Il existe de nombreux matériaux monocouches actuellement à l'étude qui ont en fait un écart énergétique suffisant. Un de ces matériaux, MoS₂, a été étudié ces dernières années en tant que remplacement potentiel du silicium traditionnel et également en tant que détecteur de lumière et capteur de gaz.

Le seul inconvénient de ces autres matériaux est que jusqu'à présent, nous n'en avons pas trouvé qui corresponde à l'excellente conductivité toujours active du graphène. Les autres matériaux peuvent être désactivés, mais quand allumé, ils ne sont pas aussi bons que le graphène. On estime que le MoS₂ lui-même a 1/15e à 1/10e de la conductivité du graphène dans les petits appareils. Des chercheurs, y compris moi, cherchent maintenant des moyens de modifier ces matériaux pour augmenter leur conductivité.

Utiliser le graphène comme ingrédient

Étrangement, un écart d'énergie dans le graphène peut en fait être induit par des modifications telles que le plier, le transformer en nanoruban, en y insérant des produits chimiques étrangers ou en utilisant deux couches de graphène. Mais chacune de ces modifications peut réduire la conductivité du graphène ou limiter son utilisation.

Pour éviter les configurations spécialisées, nous pourrions simplement combiner le graphène avec d'autres matériaux. En faisant cela, nous combinons également les propriétés des matériaux afin d'en tirer le meilleur parti. Nous pourrions, par exemple, inventer de nouveaux composants électroniques qui ont un matériau leur permettant d'être éteints ou allumés (comme le MoS₂) mais qui ont la grande conductivité du graphène lorsqu'ils sont allumés. De nouvelles cellules solaires fonctionneront sur ce concept.

Une structure mixte pourrait, par exemple, être un panneau solaire conçu pour les environnements difficiles :nous pourrions matériau de protection transparent sur le dessus d'un matériau solaire très efficace, qui à son tour pourrait être sur un matériau excellent pour conduire l'électricité vers une batterie à proximité. D'autres couches intermédiaires pourraient inclure des matériaux capables de détecter sélectivement des gaz tels que le méthane ou le dioxyde de carbone.

Les chercheurs se précipitent maintenant pour déterminer quelle est la meilleure combinaison pour différentes applications. Celui qui trouvera la meilleure combinaison finira par gagner de nombreux droits de brevets pour des produits électroniques améliorés.

La vérité est, bien que, nous ne savons pas à quoi ressemblera notre future électronique. De nouvelles pièces Lego sont inventées tout le temps; les façons dont nous les empilons ou les réorganisons changent constamment, trop. Tout ce qui est certain, c'est que l'intérieur des appareils électroniques sera radicalement différent à l'avenir de ce qu'il est aujourd'hui.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.