Qu’est-ce que le graphène ?
Le graphène (en anglais : graphene) est un matériau en forme de feuille composé entièrement d’atomes de carbone.
Les atomes de carbone s’assemblent pour former une structure hexagonale en nid d’abeille, qui à son tour forme une structure bidimensionnelle étalée. Le graphène n’est pas ordonné dans le sens de la hauteur et son épaisseur ne dépasse donc pas celle d’un atome de carbone. Il est donc très fin et transparent.
Utilisations du graphène
Le graphène est utilisé dans un grand nombre de domaines en raison de son excellente transparence et de sa conductivité thermoélectrique et électrique.
1. L’électronique
Les propriétés très fines et transparentes du graphène le rendent adapté aux applications d’affichage. Le graphène possède également la vitesse de transfert d’électrons la plus rapide de tous les matériaux à température ambiante. Il devrait donc trouver des applications dans les panneaux tactiles transparents, les films conducteurs et les cellules solaires. De plus, il possède également une résistance chimique et thermique et attire donc l’attention comme alternative au silicium et à d’autres matériaux.
2. Les fibres
Le graphène lui-même est difficile à transformer en fibres, mais le développement de fibres contenant du graphène progresse. Les fibres contenant du graphène ont des fonctions similaires à celles du graphène et devraient donc être utilisées comme nouveaux matériaux dans diverses industries. Dans l’industrie de l’habillement en particulier, le graphène attire l’attention car il satisfait pleinement aux fonctions requises pour les vêtements.
Principe du graphène
Le graphène est conducteur parce que les électrons occupant les orbitales 2pz des atomes de carbone peuvent se déplacer librement dans le plan. Chaque atome de carbone possède quatre électrons de valence. Trois de ces électrons de valence sont répartis dans des orbitales hybrides sp2 (orbitales dans le sens de la feuille) et l’autre dans l’orbitale 2pz (orbitales perpendiculaires à la feuille).
Les électrons de valence occupant les orbitales 2pz sont des électrons libres et peuvent se déplacer librement à l’intérieur du graphène. Cela fait du graphène un excellent conducteur électrique.
Autres informations sur le graphène
1. Comment le graphène est-il fabriqué?
Le graphène, le matériau présenté dans le sujet de recherche qui a remporté le prix Nobel de physique 2010, peut être fabriqué par une technique simple : du ruban adhésif est appliqué sur du graphite, qui est constitué de couches d’atomes de carbone, qui sont ensuite décollées et le graphène fixé à la surface du ruban est recueilli.
Contrairement à l’ancienne méthode physique de fabrication du graphène, le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est une méthode de fabrication chimique. Le graphène peut être produit par une réaction chimique de gaz de méthane, d’hydrogène et d’argon sur un substrat chauffé.
2. Prix du graphène
Le prix du graphène varie quelque peu en fonction du nombre de couches de graphène, de sa taille, de son poids et du type de substrat. Le graphène peut être vendu sous forme de monocouches, de multicouches ou de poudre. Dans le cas des membranes, le graphène est essentiellement superposé à un autre métal qui sert de substrat.
Les substrats comprennent les substrats métalliques tels que les feuilles de cuivre, les substrats inorganiques tels que le dioxyde de silicium et le quartz, et les substrats polymères tels que le PET (polyéthylène téréphtalate) et le PVC (polyvinylcellulose).
Le substrat est choisi en fonction de l’application. Le graphène sur des substrats tels que le quartz est produit en transférant du graphène qui a été produit sur un substrat de cuivre, il peut donc y avoir des impuretés telles que du matériel de transfert. Les impuretés peuvent être éliminées par lavage avec un solvant organique tel que l’acétone ou par chauffage.
En ce qui concerne les membranes, les petites tailles sont souvent disponibles pour quelques dizaines de milliers de yens. Par exemple, une taille de 1 cm x 1 cm est disponible dans le commerce pour environ 200 euros (prix de février 2021 au taux de conversion de juin 2023). Les prix augmentent avec la taille, certaines tailles coûtant plusieurs milliers d’euros.
Le graphite sous forme de poudre est également disponible, mais également à plusieurs milliers d’euros pour quelques centaines de milligrammes. Le degré de défauts d’un même graphène varie d’un fabricant à l’autre. Une évaluation simple du degré de défauts peut être faite à partir des spectres Raman.