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Le graphène, une feuille de carbone en or

Le graphène, une feuille de carbone en or

Le prix Nobel de physique 2010 récompense des travaux qui ont permis des recherches sur un matériau aux propriétés étonnantes, le graphène. Il a été isolé en 2004 par Andre Geim et Konstantin Novoselov. Reste à savoir si ce cristal de carbone tiendra ses promesses.

Andre Geim (à gauche) et Konstantin Novoselov ont isolé le graphène en 2004. Cette feuille de l'épaisseur d'un atome est composée d'atomes de carbone disposés en nid d'abeille (hexagones). (Sergeom, Wikimedia Commons) Andre Geim (à gauche) et Konstantin Novoselov ont isolé le graphène en 2004. Cette feuille de l'épaisseur d'un atome est composée d'atomes de carbone disposés en nid d'abeille (hexagones). (Sergeom, Wikimedia Commons)

A 51 et 36 ans respectivement, Andre Geim et Konstantin Novoselov peuvent s’enorgueillir d’avoir déclenché une avalanche de recherches en très de peu de temps sur un matériau connu depuis longtemps mais en théorie seulement. Après leur prouesse publiée en 2004, le graphène est devenu un sujet phare. Et l’objet de nombreuses spéculations quant à ses possibles applications, toujours en développement.

Feuille, ballon et tube

Lorsque l’on écrit avec un crayon à papier, on dépose sur la feuille de très fines couches de graphite. Or le graphène n’est rien d’autre que les couches qui se superposent pour composer le cristal de graphite. Une feuille de l’épaisseur d’un atome sur laquelle les atomes de carbone sont organisés en nid d’abeille. Vous pliez et arrondissez cette feuille pour en faire un ballon et vous obtenez un fullerène. Vous la roulez comme un poster et vous avez des nanotubes de carbone. Ces formes ont été obtenues avant que Geim et Novoselov parviennent à isoler le graphène.

Un millimètre de graphite contient trois millions de feuilles de graphène. Dans leur laboratoire de Manchester, les deux physiciens ont utilisé du ruban adhésif pour enlever de fines couches de graphite jusqu’à ce qu’il ne reste qu’une seule feuille, visible au microscope. «Le génie c’est d’avoir trouvé un moyen très simple d’obtenir du graphène que n’importe qui en laboratoire peut faire à son tour» commente Hélène Bouchiat, du laboratoire de physique des solides (CNRS, Université Paris sud 11).

Electrons en liberté

Pour la première fois, les physiciens pouvaient étudier les propriétés de ce cristal de carbone. Ils n’ont pas été déçus : le graphène s’est révélé fascinant. Sa légèreté, sa résistance, sa transparence en font un matériau exceptionnel, qui plus est conducteur.

L’une des particularités du graphène est de permettre aux électrons de circuler comme s’ils n’avaient pas de masse. Sur la feuille de graphène les électrons circulent en permanence à un million de mètres par seconde ! Cela fait du graphène un accélérateur de particules en miniature pour étudier des phénomènes physiques fondamentaux.

Deux méthodes parallèles

La technique de l’exfoliation ne permet d’obtenir que de très petits échantillons de quelques microns. Une autre méthode a été développée par l’équipe de Claire Berger (Georgia Tech, E-U/ Institut Néel, France), qui consiste à faire croître du graphène à partir de carbure de silicium chauffé à très haute température. «Ils obtiennent de très beaux échantillons», souligne Hélène Bouchiat, mais les propriétés de ce graphène ne sont pas tout à fait les mêmes que celui obtenu avec le scotch. Cette technique rudimentaire a permis de nombreuses expériences en physique fondamentale, notamment en physique quantique. «C’est la prime à la petite idée géniale», résume la physicienne, tout en comprenant que l'équipe de Berger puisse être un peu déçue de ne pas partager le Nobel. 

Applications à venir

Du côté des applications, tous les rêves sont permis, ou presque… Ajouter du graphène à des polymères pour les rendre conducteurs, remplacer le silicium par du graphène pour les puces des microprocesseurs et miniaturiser un peu plus les transistors.. Comme le souligne l’Académie des sciences de Suède qui remet le Nobel, ces applications sont encore pour la plupart des spéculations, certaines sont en phase de test. Mais le graphène n’est pas encore entré dans nos vies.

Depuis un peu plus d’un an une autre technique de fabrication du graphène se développe, permettant d’obtenir de grandes feuilles d’environ 1m2. «C’est un domaine encore très artisanal, reconnaît Hélène Bouchiat, mais qui permet de la très jolie physique fondamentale et qui a suscité un très grand nombre de recherches, plus encore que pour les nanotubes de carbone».


Cécile Dumas
Sciences et Avenir.fr

05/10/10



06/10/2010

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