Voilà 15 ans qu’on nous promet que le graphène va transformer les industries. Mais en 2019, pour la première fois, des chercheurs clament avoir trouvé la formule magique pour le produire à grande échelle et à moindre coût.

Paragraf

En sa qualité de président de l’entreprise Paragraf, Colin Humphreys se targue d’être sur le point tenir la promesse sous-tendue par le graphène. Cette start-up – l’une des plus en vues sur la technologie du graphène – a trouvé « un moyen de produire du graphène à une échelle commerciale », rapporte le média d’innovations technologiques et scientifiques Futurism le 13 mars.

Crédits : Paragraf

Chercheurs à l’université de Cambridge, Simon Thomas, Ivor Guiney et Colin Humphreys ont reçu le soutien de leur employeur pour créer Paragraf. Avec un financement de 3,4 millions d’euros pour développer leurs produits, ils ont pu fonder ce qu’on appelle une « compagnie essaimée » de l’université, qui s’emploie depuis sa création en 2018 à produire des plaques de graphène et à concevoir des dispositifs électroniques constitués de ce matériau. Près de souffler sa première bougie, Paragraf emploie 16 personnes et a déjà huit brevets à son actif.

Dans un communiqué publié par l’université, Paragraf explique avoir commencé à produire du graphène à grande échelle, en proposant des plaquettes de 20 cm de diamètre. La compagnie entend proposer son premier appareil électronique constitué de graphène « dans les prochains mois », sans pour l’instant donner plus de précision sur l’appareil promis.

Un miracle aux propriétés enviées

L’intérêt du graphène réside dans ses qualités remarquables, qui justifient cent fois qu’on lui attribue le surnom de « matériau miracle », comme le notait déjà le magazine Sciences et Avenir en 2016. Le graphène est un cristal bidimensionnel que l’on trouve à l’état naturel dans des cristaux de graphite.

Le graphite est finalement une sorte d’empilement de couches de graphène, chacune aussi épaisse qu’un atome. Mais gare à ne pas se méprendre sur sa taille, car il est l’un des matériaux les plus résistants au monde tout en étant incroyablement flexible.

Dix fois plus dur que le diamant, il est 200 fois plus résistant que l’acier et « il conduit également dix fois mieux la chaleur que le cuivre, le conducteur utilisé dans la plupart des dispositifs électroniques », ajoute Futurism. En outre, à température ambiante, le graphène peut « conduire l’électricité 250 fois mieux que le silicium, une vitesse plus rapide que toute autre substance connue », précisait encore Futurism il y a deux ans de cela.

Du graphite au graphène

Dès 1947, le physicien canadien Philip R. Wallace théorise le graphène et en pointe les qualités. Mais ce matériau fascinant n’a été synthétisé qu’en 2004 par deux chercheurs de l’université de Manchester, Andre Geim et Kostya Novoselov. Leurs travaux pionniers leur ont d’ailleurs permis de remporter le prix Nobel de physique en 2010. Sur son site, l’université de Manchester revient en détails sur l’histoire de la naissance du graphène, se qualifiant de « maison du graphène ».

Une couche de graphène
Crédits : ACS Material-Graphene Factory

Tous les vendredis soir après leur travail, Geim et Novoselov se lancent dans des expériences qui ne sont pas forcément liées à leurs recherches quotidiennes. C’est au cours d’une de ces soirées que les deux chercheurs remarquent que le graphite est en fait un assemblage de couches très minces – des couches de graphène.

Ils commencent à les séparer manuellement les unes des autres à l’aide d’un ruban adhésif, jusqu’à obtenir des couches d’un atome d’épaisseur. Cette méthode d’extraction mécanique s’appelle l’exfoliation.

Depuis lors, trois autres méthodes ont été créées pour pour rendre le graphène exploitable. L’une d’entre elles consiste à chauffer du carbure de silicium à 1 300 °C pour que les atomes de silicium s’évaporent, laissant seuls les atomes de carbone qui finissent pas s’organiser en couche de graphène.

Désillusions

S’il a été présenté il y a 15 ans comme la solution magique à tous nos problèmes d’écrans brisés ou de batteries capricieuses, l’engouement autour du graphène est un temps retombé comme un soufflé.

Et pour cause : son processus de fabrication reste coûteux et complexe, ce qui l’empêche d’atteindre aussi aisément le grand public. En 2008, il fallait 600 milliards d’euros pour n’en produire qu’un misérable mètre. Même si certains, comme le physicien Jean-Noël Fuchs, relativisent ces chiffres en arguant que le matériau de base, le carbone, est peu onéreux et surtout inépuisable.

En dépit de ses propriétés très enviées, l’application commerciale du graphène a également été ralentie par des difficultés liées à sa production. « La manière conventionnelle de fabriquer du graphène à grande échelle implique l’utilisation du cuivre comme catalyseur, ce qui le contamine et le rend impropre aux applications électroniques », explique Paragraf.

En outre, une étude récente publiée dans Phys.org est venue nuancer les éloges qui lui étaient adressées. Selon des chercheurs de l’université Queen Mary de Londres, les propriétés du graphène sont altérées par l’humidité. En étudiant le comportement du graphène bicouche (constitué de deux couches superposées), ils ont constaté qu’à partir de 22 % d’humidité, l’eau commençait à s’infiltrer, alors même qu’on disait le matériau tout-puissant imperméable. Le graphène ne pourrait ainsi pas être utilisé de la même façon dans des environnements humides ou secs, et que ses propriétés pourraient variés en cours d’année. Il s’agit donc d’un élément essentiel à prendre en compte.

Des applications illimitées

Les applications potentielles du graphène à l’avenir restent toutefois presque illimitées. Tout d’abord, le graphène est un matériau particulièrement intéressant dans le domaine des transports. Site consacré à la mobilité de demain, NexxDrive explique que certains constructeurs de vélos intègrent déjà du graphène dans leurs produits, dans leur quête de cycles ultra-légers. De fait, en intégrant du graphène aux fibres de carbone du cadre du vélo, on peut le renforcer tout en l’allégeant sensiblement.

En 2016, le fabriquant Dassi utilise pour la première fois cette nouvelle génération de fibres de carbone. Ce nouveau cadre pèse désormais 750 g, avec les mêmes caractéristiques de rigidité et de résistance que son homologue en carbone qui en fait 950 g. À savoir également que le graphène ne correspond qu’à 1 % de la fibre de carbone utilisée pour le cadre.

Crédits : Dassi Bikes

Des chercheurs comme ceux de Paragraf travaillent depuis des années à faire évoluer les techniques et à baisser leurs coûts. Si l’ont en croit l’annonce de ces derniers faite en mars 2019 lors du Mobile World Congress de Barcelone, ces objectifs ont désormais été atteints. La start-up anglaise imagine par exemple remplacer les puces de silicium des transistors actuels (composant fondamental de tout appareil électronique) par des puces constituées de graphène. La vitesse des appareils électroniques pourrait en ressortir multipliée par dix.

En outre, Paragraf explique que le graphène pourrait augmenter la précision des capteurs électriques et chimiques. En définitive, « Paragraf a le potentiel de transformer un grand nombre d’industries, notamment l’électronique, l’énergie et les soins de santé », explique le président de Paragraf, Colin Humphreys.

Les soins de santé

Le graphène se révèle également particulièrement intéressant dans le domaine des soins de santé. Avec l’impressionnant budget d’un milliard d’euros, l’initiative européenne de recherche Graphene Flagship désire également faire passer le graphène des laboratoires au marché. « Ce programme européen a débuté il y a cinq ans et doit développer durant dix ans des applications du graphène et autres matériaux bidimensionnels », explique Jose Antonio Garrido, vice-directeur et chef de la stratégie de l’Institut catalan de nanoscience et de nanotechnologie (ICN2), partenaire de Graphene Flagship.

Le logo de Graphene Flagship

Présent lui aussi au Mobile World Congress, Garrido y décrit leur dernier prototype : le développement de capteurs en graphène. Ces capteurs d’un nouveau genre s’inscrivent dans des « interfaces neuronales directes, des appareils qui peuvent enregistrer et stimuler l’activité cérébrale ».

Il s’agit de profiter d’une opération « à crâne ouvert » pour placer des capteurs à la surface du cerveau. Les signaux électriques sont ensuite simplement envoyés à un appareil externe, « comme un ordinateur, une machine produisant une voie artificielle ou un membre artificiel ». Dans le domaine médical par exemple, « l’objectif est de proposer aux médecins des outils pour dépister et mieux comprendre certaines maladies » comme l’épilepsie, explique-t-il.

« Nous utilisons des capteurs constitués de graphène parce que le graphène peut être intégrer facilement à des substrats souples, et il est également hautement sensible », ajoute Garrido, « avec cette technologie, nous voulons construire à une nouvelle génération d’interfaces neuronales directes. » Il espère que le dispositif pourra bientôt obtenir les autorisations nécessaires et être expérimenté sur les humains à l’université de Manchester, et ainsi changer la vie de nombreux malades.

Auteure : Malaurie Chokoualé