Cela fait maintenant une dizaine d’années que l’on entend régulièrement parler du graphène, structure particulière du carbone se développant en deux dimensions et disposé selon un motif hexagonal. Cette popularisation, on la doit en grande partie aux travaux d’Andre Geim et Konstatin Novoselov. Ces deux physiciens russes ont réussi à isoler des feuillets de graphène à partir de graphite, à la simple aide de bandes adhésives [1], leur valant au passage le prix nobel de Physique en 2010. Le graphène a souvent été décrit comme un matériau miracle, extrêmement résistant, meilleur conducteur électrique et thermique jamais connu, pouvant être utilisé pour une multitude d’applications tels que les batteries, les panneaux solaires, les écrans tactiles ou encore les transistors. Mais qu’en est-il aujourd’hui?

Un matériau dur à synthétiser

Un des problèmes majeurs quand on veut utiliser du graphène en quantités industrielles est sa difficulté à produire. Il y a un fossé entre les quelques échantillons produits par Andre Geim et Konstantin Novoselov en 2004 et le besoin réel nécessaire à la fabrication des matériaux de demain. Preuve en est, en 2008, La Recherche estimait le coût de production d’un mètre carré de graphène à six cent milliards d’euros [2]! Ce coût reste bien sûr à relativiser, car deux techniques majeures de production du graphène se sont démocratisées depuis.

La première est le dépôt chimique en phase vapeur (ou CVD pour chemical vapor deposition en anglais) [3].

En bref, un gaz carboné (du méthane ou de l’éthène principalement) est porté à très haute température en présence d’un substrat métallique, du cuivre la plupart du temps. Sous l’effet de la chaleur, le carbone va se dissocier et former une couche monoatomique à la surface du cuivre. En refroidissant rapidement, on finit par obtenir la structure hexagonale du graphène.

Fig.1 Schématisation du dépôt en phase chimique du graphène sur un substrat métallique [4]

 

Cette méthode permet d’obtenir un graphène très pauvre en défauts structuraux et présentant de très bonnes propriétés électriques. Pour autant les quantités synthétisées sont toujours trop faibles pour une production à échelle industrielle.

L’alternative pour obtenir du graphène à moindre coût passe par la méthode de Hummer [5].

On aura besoin pour cela d’un bloc de graphite solide. Pour rappel, le graphite est la forme du carbone à l’état naturel, il compose notamment la mine de nos crayons à papier. L’intérêt d’un tel matériau réside dans sa structure, le graphite n’est en effet rien de plus qu’un empilement de feuilles de graphène. On ne cherche donc plus à créer le graphène de toute pièce avec des atomes isolés comme avec le dépôt chimique en phase vapeur, mais à l’isoler du solide de base. Pour cela, on place donc ce bloc de graphite solide dans une solution d’acide sulfurique et de permanganate de potassium, un puissant agent oxydant. Des groupements oxygénés (acides carboxyliques -COOH, alcools -OH, cétones =O) sont créés dans le graphite, polarisant la structure et augmentant la distance entre les différentes couches de graphène. Ces couches, une fois fonctionnalisées, sont donc hydrophiles, et il devient aisé de les exfolier en solution aqueuse. Il suffit alors de faire une réduction chimique sur les feuillets isolés, c’est à dire de retirer les groupements oxygénés en utilisant des solutions comme l’hydrate d’hydrazine (H2N–NH2) à haute température pour obtenir du graphène, dénommé rGO, pour “reduced Graphene Oxide”, ou oxyde de graphène réduit en français.

Fig. 2 Schématisation de la synthèse de graphène par oxydation de Hummer exfoliation et réduction thermique [6]

 

Cette technique présente néanmoins un inconvénient : le graphène obtenu est plus riche en impuretés et anomalies structurales du fait de l’oxydation, et perds donc une grande partie de ses propriétés, électriques notamment [7]. De plus, les gaz rejetés en utilisant la méthode de Hummer sont toxiques, mais ne présentent plus de risques d’explosion, comme on pouvait le voir avec d’autres méthodes d’oxydation plus anciennes.

On constate qu’aucune de ces méthodes n’est vraiment totalement satisfaisante, à croire qu’il est impossible de concilier qualité et production à grande échelle. Et pourtant, des recherches récentes [8] suggèrent l’existence d’une troisième voie: l’exfoliation électrochimique. Le principe est simple: contrairement à la méthode de Hummer où l’exfoliation est provoquée par oxydation, ici on parlera d’insertion d’ions interstitiels. On applique un potentiel électrique à un morceau de graphite placé dans une solution riche en ions. Ce morceau de graphite devient alors une électrode, anode ou cathode au choix de l’expérimentateur. Sous l’effet du champ électrique, les ions du signe opposé au morceau de graphite vont venir se loger entre les couches de graphène, allongeant l’espace inter feuillets, et permettant ainsi l’isolement du graphène comme vu précédemment.

Fig.3 Schématisation de la synthèse de graphène par exfoliation électrochimique [9]

 

Il est à noter que derrière la simplicité apparente de cette méthode se cache une gestion minutieuse des paramètres expérimentaux comme le choix des ions, le voltage à appliquer ou encore le pH de la solution, sans quoi l’exfoliation serait difficile voire impossible. Il n’en reste pas moins que ce procédé est une alternative moins coûteuse et plus écologique pour produire du graphène de bonne qualité et en larges quantités, qui ne manquera pas de se développer dans un avenir proche.

Un large panel d’applications

Une fois le graphène produit vient l’étape de l’industrialisation. Deux possibilités se présentent alors en fonction de son utilisation à venir: soit il peut être considéré comme un matériau tel quel soit il peut être intégré en infimes quantités dans des polymères pour former un matériau composite.

Dans ce dernier cas, le graphène peut par exemple être utilisé en vue d’augmenter l’élasticité et la résistance des vêtements de plus de 50%, on peut d’ailleurs d’ores et déjà acheter des chaussures de sport incluant du graphène dans leur composition [10].

Fig.4 Les inov-8 G series, premières chaussures de sport utilisant le graphène à des fins de renforcement de propriétés mécaniques [11]

 

Mais le graphène peut aussi et surtout rendre des matières plastiques conductrices d’électricité, et ce à partir de faibles proportions [12]. En effet, pouvoir intégrer du graphène à des fibres de polymères est un premier pas vers des textiles intelligents, capables de relever des données médicales comme le poul ou la température corporelle, d’émettre de la lumière, de réagir au toucher ou encore de chauffer leur utilisateur[13]. Néanmoins, avant de pouvoir trouver des vêtements connectés dans nos magasins, les chercheurs doivent toujours affronter un problème de taille: le graphène n’interagit chimiquement que très peu avec les polymères. En conséquence, il est difficile d’obtenir un matériau composite homogène et donc durable dans le temps. Une solution envisageable est d’utiliser des oxydes de graphène, qui ont la particularité de pouvoir se lier à des composés organiques. Or, comme expliqué précédemment, les oxydes de graphènes ont de moins bonne propriétés physiques que le graphène pur, la difficulté ici est donc de trouver un bon compromis entre l’homogénéité du matériau et sa conductivité électrique [14].

Mais le graphène n’a pas besoin d’être “mixé” à d’autres matériaux pour être utilisable. Pris à part entière, il reste toujours un excellent conducteur d’électricité et est transparent à la lumière visible, aux UVs et aux proches infrarouges. Ces deux propriétés en font un matériau de choix pour deux applications: les écrans tactiles et les panneaux solaires [15]. Pourquoi ces domaines en particulier? Les dalles tactiles actuelles fonctionnent par différence de potentiel électrique et non pas par pression mécanique. Cela veut dire que des capteurs sont placés dans l’écran et émettent un signal électrique lors du contact avec nos doigts, d’où l’intérêt d’avoir un écran conducteur. Pour ce qui est des panneaux solaires, une couche conductrice est nécessaire sur la surface pour la collecte des électrons générés. Sur les modèles les plus courants au silicium, ce sont des bandes en métal qui remplissent ce rôle de contact électrique, comme on peut le voir sur les figures 5 et 6.

               

Fig. 5 et 6: schéma et photo d’un panneau solaire au silicium avec la mise en évidence des contacts électriques [16,17] 

 

Ces contacts cachent une partie de la lumière (environ 5% de la surface totale) et imposent une certaine rigidité à la cellule photovoltaïque, ce qui peut être un problème pour la confection de panneaux solaires fins et flexibles. C’est pour cette raison que l’on tends à remplacer ces contacts par des couches conductrices transparentes, qui couvrent toute la surface du panneau. Le graphène, dans ce rôle-là, présente des propriétés très similaires à l’oxyde d’indium et d’étain, matériau le plus utilisé à ce jour pour la fabrication des écrans de nos smartphones. Si les industriels veulent l’utiliser, c’est surtout que contrairement à l’Indium qui est une ressource rare quasi exclusivement importé de Chine [18], le graphène est créé à partir de carbone, ressource abondante sur Terre, et donc devrait, à long terme, devenir plus économique et s’inscrire dans une logique de développement durable.

On notera aussi l’émergence du graphène dans les domaines de la médecine, où il est utilisé en implant pour capter l’activité cérébrale [19] et dans le stockage d’énergie, sous la forme de batteries ultra performantes: on parle d’une charge cinq fois plus rapides que pour les batteries Lithium-ion traditionnelles [20].

La science du graphène n’en est qu’à ses balbutiements: au travers de ces quelques projets ambitieux présentés ici il est aisé de comprendre l’intérêt suscité par un tel matériau. Ce n’est sûrement plus qu’une question d’années avant que le graphène ne se démocratise et ne vienne s’insinuer dans nos vies, comme le plastique avait pu le faire un siècle plus tôt.