Une étude publiée dans Science rapporte l'action catalytique du nickel dans la croissance des feuilles de graphène. La recherche, réalisée par l'Iom-Cnr et l'Université de Trieste, propose de nouvelles stratégies pour améliorer la production industrielle de ce matériau caractérisé par des propriétés exceptionnelles

Le graphène est un matériau bidimensionnel composé d'une seule couche d'atomes de carbone. Il est souple comme le plastique et présente une résistance mécanique 100 fois supérieure à l'acier. Ainsi, il est considéré comme idéal pour de multiples usages dans les domaines industriels et technologiques. Cependant, il est difficile à produire, rendant son utilisation extrêmement coûteuse.

L'étude, menée à Trieste (Italie) par l'Istituto officina dei materiali du Conseil national italien de la recherche (Iom-Cnr) et par le Département de physique de l'Université de Trieste identifie le mécanisme de croissance du graphène à la surface du nickel, ouvrant de nouvelles possibilités dans les technologies de production.

"Nous savons que les atomes individuels sont toujours présents sur les surfaces métalliques, où ils peuvent se déplacer librement et participer à de nombreux processus qui s'y déroulent, " explique Cristina Africh, de Iom-Cnr. « Dans notre étude, nous avons montré que sur une surface de nickel, les atomes métalliques mobiles jouent le rôle de catalyseurs, facilitant la formation de graphène."

L'équipe scientifique a pu enregistrer ce processus en temps réel, révélant le comportement d'atomes de surface individuels au moyen d'un module de balayage à grande vitesse développé ces dernières années en collaboration avec Elettra-Sincrotrone Trieste et récemment amélioré grâce à un financement européen.

"Avec un microscope à effet tunnel, " dit Laerte Patera, "nous avons filmé ce qui se passe au bord de la feuille de graphène pendant sa croissance, à une température d'environ 450 degrés Celsius, collecter jusqu'à 60 images par seconde, une fréquence d'images bien supérieure à celles utilisées en cinématographie ou en télévision et perçues par l'œil humain."

"D'après les vidéos, il est clair que le processus de croissance se fait ligne par ligne, comme une machine à tricoter tissant un fil pour former un morceau de tissu. Au niveau microscopique, les atomes de nickel individuels remplissent la même fonction que l'aiguille de la machine, ajouter de nouveaux points au bord du tissu dans une séquence ordonnée, " explique Giovanni Comelli de l'Université de Trieste. " Les simulations numériques clarifient tous les détails des résultats expérimentaux et expliquent clairement le rôle joué par les adatomes de nickel qui, en se fixant temporairement sur les bords du graphène, permettre l'inclusion de nouveaux atomes de carbone."

« En plus de sa valeur scientifique pertinente, ce résultat est d'un intérêt considérable pour les applications, puisque l'une des méthodes les plus utilisées actuellement pour la production industrielle de graphène utilise un substrat de nickel pour faire croître des couches de graphène caractérisées par peu de défauts à un coût de production réduit, " conclut Africh. "Comprenant les détails du mécanisme de croissance, jusqu'ici inconnu, est donc fondamental pour définir une stratégie de développement de nouveaux procédés de production de graphène plus efficaces au niveau industriel."