Depuis sa découverte initiale en 2004 par deux professeurs de l’Université de Manchester, le graphène a fait sensation dans la communauté scientifique. Ses découvreurs ont remporté un prix Nobel en 2010 pour avoir développé cette idée. La course a ensuite été lancée pour trouver les moyens de la produire et de l'appliquer. Roop Mahajan, professeur Lewis A. Hester en génie mécanique à Virginia Tech, a contribué à une avancée significative dans cette course.
Le graphène possède des attributs inégalés :il est 200 fois plus résistant que l'acier, mais plus léger que le papier, et présente des propriétés mécaniques uniques. À l'échelle microscopique, il prend la forme de réseaux de carbone de forme hexagonale d'une épaisseur d'un seul atome.
En raison de ses propriétés uniques, le graphène a de multiples applications :
L'équipe de Mahajan a intégré le graphène dans les matériaux et technologies existants pour renforcer leur résistance sans ajouter beaucoup de masse supplémentaire, créant ainsi une approche pratique pour exploiter les propriétés uniques du graphène. Cet effort a donné naissance à une myriade de façons innovantes d'incorporer le graphène dans les produits du quotidien, en poussant le matériau à exploiter tout son potentiel.
Le graphène étant principalement constitué de carbone, les chercheurs doivent commencer par un matériau naturellement riche en carbone. Le graphite, le composant principal de la mine de crayon, est le choix habituel car sa composition est du carbone presque pur.
Le graphène étant une feuille de matériau d’une épaisseur d’un atome, sa production nécessite une quantité importante de traitement. La technique la plus populaire est une version modifiée d'une approche connue sous le nom de méthode de Hummer et utilise de l'acide sulfurique, du permanganate de potassium, du nitrate de sodium et du peroxyde d'hydrogène à différentes étapes. Trois de ces quatre produits chimiques sont considérés comme dangereux.
Mais le groupe de Mahajan a réinventé une méthode plus durable pour s'approvisionner en graphène non pas à partir de graphite mais à partir de charbon, réduisant considérablement le nombre de produits chimiques agressifs à un seul :l'acide nitrique. Avec moins de produits chimiques dangereux et moins d'élimination à gérer, cette approche réduit l'impact environnemental ainsi que les risques pour les chercheurs.
Remplacer le graphite comme source principale du matériau du futur présente des avantages. La majeure partie du graphite provient de Chine, ce qui rend sa chaîne d'approvisionnement quelque peu incertaine. De plus, le graphite est un ingrédient essentiel des batteries, et la forte augmentation de la demande mondiale de batteries a réduit considérablement cette offre.
Bien que le charbon contienne un pourcentage plus faible de carbone (60 à 80 % contre une composition proche de 100 % dans le graphite), la méthode de production moins dangereuse de l'équipe promet un avenir meilleur pour l'environnement. Ce changement pourrait également ouvrir la porte à une économie charbonnière en déclin rapide à travers le monde, en grande partie à cause de sa contribution au réchauffement climatique lorsque le charbon est brûlé.
Aux avantages environnementaux s’ajoutent des avantages économiques. L'équipe de Mahajan produit du graphène 10 à 15 fois moins cher que les méthodes précédentes, créant ainsi une offre à moindre coût qui pourrait stimuler de nouvelles innovations sur le marché et faciliter la commercialisation.
"Réduire le coût de production du graphène est crucial pour exploiter pleinement ses propriétés exceptionnelles et accélérer son adoption à grande échelle dans diverses applications, catalysant potentiellement le développement de nouveaux marchés et industries", a déclaré Mahajan.
Dans le processus unique de Mahajan, le voyage vers la synthèse du graphène commence par le processus méticuleux consistant à broyer des morceaux de charbon bruts pour créer une poudre grossière. La poudre est mise dans un grand cylindre contenant des billes blanches de différentes tailles, puis roulée. Les billes broient et écrasent la poussière, réduisant encore sa taille. La poudre broyée à boulets est ensuite chimiquement débarrassée des impuretés telles que les sulfites métalliques et les cendres.
Le charbon broyé et purifié est ensuite placé dans un bain d'acide nitrique, qui convertit le charbon en oxyde de graphène. L'acide est drainé et le carbone n'ayant pas réagi éliminé, ce qui donne lieu à une poudre d'oxyde de graphène, qui peut ensuite être convertie en graphène par traitement thermique. Il s'agit de la substance qui a été mélangée à des adhésifs, du silicium, du verre et du métal pour produire de nouveaux types de matériaux composites destinés à diverses applications.
L'équipe de Mahajan a démontré des performances supérieures pour le charbon par rapport au graphène dérivé du graphite. Ce travail révolutionnaire a donné lieu à un flux constant de publications, dont une dans la revue Carbon. .
Cet article détaille le nouveau processus de l'équipe et démontre la supériorité du graphène dérivé du charbon dans le développement de capteurs hautement sensibles pour séparer et détecter les aptamères d'ADN simple brin. Ces capteurs sont largement utilisés dans les domaines du diagnostic, de la thérapeutique, de la sécurité alimentaire et dans diverses industries en raison de leur capacité à se lier à des molécules cibles spécifiques avec une affinité et une spécificité élevées.
Élargir la compréhension à la fois d'un nouveau matériau et d'un nouveau processus nécessite une équipe élargie, et Mahajan savait exactement vers qui se tourner, grâce à son rôle de leader dans la recherche mondiale de Virginia Tech.
Mahajan est le directeur de la recherche stratégique et de l'innovation chez VT India, ce qui lui confère une ligne directe pour promouvoir l'innovation. Cette équipe de scientifiques, dont le siège est à Chennai, en Inde, a joué un rôle central dans le développement de l'entreprise graphène.
Ce travail a donné lieu à un article dans ACS Applied Nanomaterials. se concentrant sur le rôle de l'oxyde de graphène en tant que nanocharge dans l'amélioration des performances mécaniques des polymères renforcés de fibres de verre. Et l'équipe explore activement d'autres applications potentielles, notamment
Même si le déploiement de nouvelles technologies crée un environnement scientifique passionnant, Mahajan ne se concentre pas uniquement sur l’innovation. Réduire les risques environnementaux et stimuler la production de ce « matériau miracle » a une implication plus profonde :une meilleure qualité de vie pour chacun. Une utilisation plus intelligente de l'énergie, des matériaux plus fiables et de nombreuses options en matière de soins de santé se rallient tous à cette cause.
"Ce large spectre d'applications illustre le potentiel remarquable des technologies du graphène dérivé du charbon pour remodeler les industries et améliorer la vie à l'échelle mondiale", a déclaré Mahajan.
Plus d'informations : Anushka Garg et al, Synthèse simplifiée en un seul pot d'oxyde de graphène à partir de différents charbons et son application potentielle pour améliorer les performances mécaniques des nanocomposites GFRP, Nanomatériaux appliqués par ACS (2023). DOI :10.1021/acsanm.3c03197
Fourni par Virginia Tech
