Quand le graphène sera-t-il couramment utilisé ?

Si vous lisez beaucoup d'actualités scientifiques et technologiques, vous aurez peut-être l'impression que le graphène est bon en tout. Le graphène, une forme de carbone qui n'a qu'un atome d'épaisseur, possède des propriétés électroniques, optiques et mécaniques vraiment exceptionnelles. Mais certaines applications envisagées pour le graphène, comme dans les ordinateurs, semblent irréalistes. Néanmoins, le matériau peut devenir un composant clé des écrans électroniques flexibles, des batteries à haute énergie et d'autres produits.

Un modèle de la structure du graphène.

Électronique super rapide

En 2004, des chercheurs de l'Université de Manchester dirigés par Andreï Geim et Constantin Novoselov ont été les premiers à isoler le graphène et à tester ses propriétés électriques ( pdf ). Ils ont fabriqué du graphène en écrasant de petits morceaux de graphite et en les décollant avec du ruban adhésif, couche par couche, jusqu'à ce qu'ils aient des mailles de carbone d'un seul atome d'épaisseur. Pour cette œuvre, le duo a remporté le Prix ​​Nobel de physique 2010 . Le graphène, eux et d'autres l'ont découvert, est bizarre. Il présente ce qu'on appelle la conduction balistique : la charge électrique se déplace à travers le matériau sans entrave, beaucoup plus rapidement que dans le silicium, le matériau utilisé pour fabriquer les circuits intégrés d'aujourd'hui.

Dès le début, les chercheurs étaient très enthousiasmés par la possibilité de calculer le graphène. Mais ne vous attendez pas à trouver un processeur au graphène dans votre prochain ordinateur portable. Le graphène n'est pas un semi-conducteur, ce qui signifie qu'il ne peut pas passer de son état conducteur à un état isolant sans que les chercheurs ne fassent beaucoup de bricolage et de baby-sitting sur le matériau. Sans un état d'arrêt fort pour correspondre à leur marche, les commutateurs au graphène ne remplaceront probablement pas le silicium dans la logique numérique.

Les propriétés électriques du graphène sont bien mieux adaptées aux circuits analogiques, du type utilisé dans les télécommunications. Par exemple, en 2011, IBM a présenté des circuits de graphène rapides du type utilisé dans les applications de télécommunications.

Des trucs forts

Certaines des meilleures propriétés du graphène sont mécaniques. Il est souple et extensible. En 2008, des chercheurs de l'Université de Columbia ont montré que le graphène était le matériau le plus résistant jamais testé. Des chercheurs de l'Université du Texas à Dallas, dirigés par Ray Baughman , ont travaillé pour tirer parti de cette combinaison de résistance, de flexibilité et de conductivité élevée dans textiles de graphène . Les fils de graphène peuvent être transformés en muscles artificiels ou combinés avec des matériaux de batterie pour alimenter des appareils électroniques portables. Cet article explique une conception possible .

Une étape importante dans la commercialisation du graphène a été d'aller au-delà de la méthode dite du ruban adhésif utilisée pour fabriquer un à la fois de petits flocons de graphène de haute qualité. En 2013, des chercheurs menés par Rodney Ruoff à l'Université du Texas à Austin a cultivé du graphène de haute qualité sur de grandes surfaces en déposant le carbone d'un gaz sur des feuilles de cuivre dans des conditions soigneusement contrôlées (plus d'informations peuvent être trouvées dans ce papier ). C'est important : seul le graphène de haute qualité affiche une conduction balistique. En 2014, Samsung a montré comment il pouvait croître graphène sur une surface alternée, germanium.

Certains des collègues de Ruoff à l'Université du Texas à Austin se sont appuyés sur ses travaux de croissance du graphène pour créer des circuits de télécommunications robustes et flexibles. Ces appareils sont suffisamment résistants pour rouler avec une voiture et peuvent survivre à un plongeon dans l'eau. Deji Akinwande a fait la démonstration de ces appareils dans un article en 2013 et a travaillé avec Corning et 3M pour augmenter la production.

Possibilités de puissance

Les applications plus proches de la commercialisation tirent parti de la conductivité et de la résistance mécanique du graphène et l'utilisent comme matériau d'électrode. Il peut servir de remplacement flexible de l'oxyde d'indium-étain comme électrode conductrice transparente pour les écrans tactiles, par exemple. En septembre 2014, le Cambridge Graphene Center et la société d'électronique Logique plastique fait preuve d'un affichage flexible utilisant des électrodes de graphène .

L'ajout de graphène aux électrodes de batterie pourrait rendre les batteries à haute énergie - ce qui aidera les voitures à rouler plus loin et à prolonger la durée de vie de l'électronique entre les charges - plus stables mécaniquement. En 2011, des chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley ont utilisé du graphène pour sandwich et stabilise électrodes de batterie en étain. L'un de ces chercheurs, Yuegang Zhang, a par la suite déménagé son laboratoire en Chine dans l'espoir de commercialiser ce travail plus rapidement. En 2014, son groupe à l'Académie chinoise des sciences a montré que les sandwichs au graphène se stabilisent électrodes de soufre .

Des chercheurs de l'Université de Californie à Los Angeles explorant si le graphène pourrait être utilisé pour le stockage d'énergie dans de nouveaux types de supercondensateurs - qui se chargeraient beaucoup plus rapidement que les batteries et contiendraient autant d'énergie (plus d'informations dans ce papier .)

Le plat à emporter :

Les travaux pionniers de Geim et Novoselov ont été publiés il y a à peine 11 ans, et c'est peu de temps en science des matériaux. Le plein impact du graphène, dans les appareils électroniques flexibles et résistants et les appareils portables, est encore dans des années. En attendant, attendez-vous à de plus petits développements, tels que une prochaine ampoule LED dont le filament est enrobé de graphène pour augmenter sa durée de vie et diminuer sa consommation d'énergie.

Merci à Ron Waldron pour cette question. Envoyez le vôtre à [email protected] .

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