Le graphène est un matériau bidimensionnel courant, composé de carbone. Empilé en couches, il est connu sous le nom de graphite, une substance sombre que la plupart des gens rencontrent mélangée à de l’argile dans les crayons dits “de plomb”.
Grâce à son mélange unique de propriétés structurelles, thermiques et électromagnétiques, le graphène a attiré beaucoup d’attention pour son rôle potentiel dans un large éventail de technologies futures.
Chaque atome de carbone d’une feuille de graphène est étroitement lié à trois autres atomes à des angles identiques, formant une structure plate en forme de nid d’abeille. À l’instar du diamant – un cristal de carbone tridimensionnel où chaque atome est relié à quatre voisins – ces liaisons solides confèrent à la structure une grande robustesse.
Plus précisément, le graphène possède une incroyable résistance à la traction, surtout à petite échelle. Cela signifie que, comparé à une fine corde d’acier cristallisé de quelques micromètres de diamètre, le graphène est plus de six fois plus difficile à déchirer. Des tests réalisés avec d’autres formes d’acier moins idéales ont précédemment suggéré qu’il pourrait être des centaines de fois plus résistant.
La forme hexagonale de base du graphène constitue la base des fullerènes, qui sont des structures moléculaires creuses composées de 60 molécules de carbone ou plus, comme ces magnifiques sphères de carbone appelées “buckyballs”. La maille nanométrique de ces structures est si flexible qu’elle peut être enroulée en cylindres creux, ce qui en fait des récipients potentiellement utiles à l’échelle moléculaire.
Comme l’élément carbone dispose de quatre électrons pour se lier, chaque atome d’une feuille de graphène apporte au moins un électron non lié à la molécule. Cette charge négative libre contribue à conférer au matériau d’incroyables propriétés conductrices et supraconductrices, ce qui le rend adapté à l’électronique de pointe.
Ajoutez à ces talents son imperméabilité à de nombreux liquides et gaz et sa capacité à repousser l’eau, ainsi qu’une incroyable transparence, et vous comprendrez aisément pourquoi le graphène a été décrit comme un “matériau miracle ” à surveiller.
Comment le graphène a-t-il été découvert ?
Alors que les propriétés structurelles de base du graphite ont été déterminées expérimentalement au début du XXe siècle, la première véritable théorie sur la chimie unique du graphène n’a été élaborée qu’en 1947, lorsque le physicien théoricien canadien Philip Russell Wallace a tenté de trouver des moyens d’expliquer les propriétés électriques du graphite.
Aussi intéressant que puisse être le matériau, il était difficile de forcer le graphite à se défaire de plus de quelques feuilles simples à la fois.
En 2004, Andre Geim et Kostya Novoselov, chercheurs à l’université de Manchester, ont trouvé un moyen de produire des quantités suffisantes pour les étudier, en décollant le graphène du graphite à l’aide d’un simple ruban adhésif. Ils ont depuis obtenu un prix Nobel pour leurs études révolutionnaires sur ce matériau.
L’utilisation future du graphène reposera sur des méthodes de production beaucoup plus efficaces, ce qui incitera les chercheurs à rechercher de nouveaux moyens innovants de fabriquer de vastes feuilles de carbone plat en 2D.
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