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"Le graphène et le nouvel âge du carbone" par le Dr Mae-Wan Ho

Traduction et compléments de Jacques Hallard

lundi 19 août 2013, par Ho Dr Mae-Wan

ISIS Graphène Energie
Le graphène et le nouvel âge du carbone
Graphene and the New Age of Carbon
Rapport de l’ISIS en date du 03/07/2013
Dernier matériau miracle en vogue, le graphène promet de fournir tout ce qu’il nous faut pour les énergies propres et pour des technologies extrêmement efficientes, tout en nous débarrassant des gaz à effet de serre et des déchets toxiques ; ne serait-ce pas un peu trop beau pour être vrai ? Dr Mae-Wan Ho

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Une nouvelle superstar dans le monde des matériaux

Cessons de nous tourmenter avec les gaz à effet de serre et le réchauffement planétaire ; oublions les forages pour le pétrole, les sables bitumineux, les gaz de schiste ; balayons d’un revers de main les usines nucléaires et les centrales au charbon, ainsi que des panneaux solaires passés de mode, l’électronique, la photonique, les batteries, et tout ce qui nécessite des terres rares qui sont très toxiques, parce que le graphène remplace déjà et va continuer de remplacer tout cela ; et il y a beaucoup de graphite pour que nous soyons assurés de pouvoir le faire.
Mieux encore, les émissions de gaz à effet de serre, tels que le méthane CH4 et le dioxyde de carbone CO2, pourraient fournir le carbone pour fabriquer le graphène massivement en transformant ainsi les déchets qui sont en cause dans le changement climatique, pour en faire des ressources dont les applications dont sont seulement limitées par le pouvoir de notre imagination et par nos capacités d’invention. Mais cela ne semble-t-il pas un peu trop beau pour être vrai ? (voir [1] Graphene from Greenhouse Gases to Save the Climate, SiS 59)*.
* Version en français sur le site ISIAS intitulée : ‘Le graphène obtenu à partir de gaz à effet de serre pour sauver le climat’
La nouvelle superstar en science des matériaux et en physique de la matière condensée est une simple couche plate d’atomes de carbone, emballés dans un réseau cristallin en forme de nid d’abeilles qui pourrait durer éternellement.
Recroquevillé sur lui-même, le graphène donne des fullerènes [une structure identique à un dôme géodésique , ou à un ballon de football, encore appelée pour cette raison « footballène »] ; enroulé, le graphène forme des nanotubes de carbone, et empilé en couches, il est le graphite de nos crayons à papier.
Le graphite est abondant et il a un bon dossier en matière de sécurité, bien que les couches de graphène simple ne doivent pas être considérées sans danger, car elles ont des propriétés très différentes de celles du graphite en bloc, et ce matériau doit être étudié avec soin pour ce qui concerne sa toxicité.
Le graphène a recueilli pratiquement tous les superlatifs depuis qu’il a été propulsé en 2004 sous les feux de la rampe par les physiciens d’origine russe Andre Geim et Konstantin Novoselov de l’Université de Manchester au Royaume-Uni [2]. Ils avaient isolé le graphène à partir du graphite à l’aide d’un ruban adhésif, et ils ont reçu le prix Nobel de physique en 2010 pour leurs expériences "révolutionnaires" sur la matière (voir [3] ] Why Graphene is Amazing, SiS 59)*.
* Version en français sur le site ISIAS, intitulée : ‘Pourquoi le graphène est-il aussi étonnant ?’

Un amoncellement de superlatifs

Les physiciens sont en extase sur les effets quantiques macroscopiques et d’autres phénomènes étonnants qui peuvent être démontrés à des températures ambiantes sur leurs paillasses de laboratoire [3, 4], tandis que d’autres chercheurs et techniciens se penchent sur les applications qu’ils sont en mesure de concevoir et de tester matériellement avec des dispositfs qui sont déjà à l’état de prototypes.
Par voie électronique, le graphène est un supraconducteur, même à température ambiante. Il est un très bon conducteur, plus facilement et plus rapidement que le cuivre, et à un million de fois la densité de courant. Cela signifie que des charges de masse nulle, d’environ 1013 cm-2, se déplacent de façon balistique sans diffusion (résistance), sur des espaces de dizaines de microns, à une rapidité d’environ un centième de la vitesse de la lumière. Ces propriétés sont en effet très utiles pour fabriquer des superordinateurs plus rapides.
Le graphène est le seul à avoir un écart d’énergie ou bande interdite égale à zéro, c’est à dire, qu’il n’y a pas d’écart d’énergie entre l’électron lié à un atome et la bande de conduction quand il commence à se déplacer ; par conséquent, il peut potentiellement faire usage des photons avec n’importe quelle énergie pour produire de l’électricité, et même des énergies thermiques. Cette propriété est très utile pour les électrodes et les cellules solaires (voir [5] ] Graphene and Solar Power for the Masses, SiS 59) *
* Version en français sur le site ISIAS intitulée : Graphène et énergie solaire pour toutes les populations

La bande interdite égale à zéro du graphène, signifie qu’il ne peut pas être désactivé, ce qui est une limitation pour les transistors, mais pas pour d’autres dispositifs optoélectroniques. Des écarts de bande peuvent être créés en introduisant un champ électrique, ou par dopage avec une faible quantité d’impuretés.
Le graphène conduit la chaleur à plus de 5.000 W / mètre Kelvin, soit beaucoup mieux que toutes les autres structures de carbone comme les nanotubes de carbone, le graphite et le diamant (qui est jusqu’ici le champion à environ 1.000 W / mK). Cela rend aussi le graphène idéal pour le transport de chaleur dans les processeurs ultra-rapides destinés aux ordinateurs, qui ont atteint un goulot d’étranglement en raison de la chaleur qui ne peut pas être évacuée assez rapidement (voir [6] The Computer Aspires to the Human Brain, SiS 58) *.
* Version en français "Quand l’ordinateur ambitionne de devenir un cerveau humain" par le Dr Mae-Wan Ho. Traduction et compléments de Jacques Hallard ; accessible sur le site http://isias.transition89.lautre.net/spip.php?article301
Le graphène est le matériau le plus mince et le plus robuste qui soit connu, plus dur que le diamant, et 300 fois plus résistant que l’acier : il demande le poids d’un éléphant en équilibre sur une pointe d’aiguille pour briser cette couche de l’épaisseur d’un atome ; sa résistance à la traction est supérieure à 1 TPa [4].
Cependant, il est souple et très élastique pour une structure cristalline : son élasticité peut s’étendre jusqu’à 20% de sa longueur, [7]. Sa combinaison de légèreté et de robustesse est idéale pour la construction des avions et des pales d’éoliennes, par exemple.
Le graphène absorbe seulement 2,3% de la lumière incidente, ce qui le rend plus transparent que toute autre chose : il présente donc une aubaine pour fabriquer des écrans tactiles incassables et des électrodes de cellules solaires.
Le graphène est la couche atomique la plus imperméable, ne laissant aucun liquide ou aucun gaz la traverser : une propriété qui peut être exploitée comme un film assurant une barrière ou une filtration sur membrane (voir [8] Graphene Molecular Sieves for Desalination and Purifcation, SiS 59) *.
* Version en français sur le site ISIAS, intitulée : ‘Des tamis moléculaires en graphène pour le dessalement et l’épuration’.
Le graphène peut être modifié chimiquement de nombreuses façons, avec des propriétés les plus insoupçonnées qui restent encore à découvrir. L’oxyde de graphène est excellent pour éliminer les radionucléides dans l’eau des déchets nucléaires et l’eau contaminée [9] (voir [10] ] Graphene Oxide for Nuclear Decontamination, SiS 59)*.
* Version en français sur le site ISIAS, intitulée : ‘Emploi de l’oxyde de graphène pour la décontamination nucléaire’.
Ces propriétés du graphène constituent exactement ce que les victimes de la catastrophe nucléaire de Fukushima ont besoin pour se protéger contre d’autres expositions supplémentaires à des retombées radioactives (voir [11] Mort Camp Fukushima Tchernobyl - un rapport spécial ISIS ) *
* On peut consulter l’article "Les retombées radioactives de Fukushima rivalisent avec celles de Tchernobyl" par le Dr Mae-Wan Ho Traduction et compléments de Jacques Hallard ; accessible sur le site http://isias.transition89.lautre.net/spip.php?article231&lang=fr

La fièvre du graphène dans le monde

Et ce n’est certainement pas simplement l’effet d’un matraquage médiatique ni d’un espoir exagéré, si le monde entier semble être en proie à une fièvre du graphène. Malgré cela, le financement public a été relativement peu généreux par rapport à d’autres domaines (voir [6]).
Pour sa part, le gouvernement britannique a alloué 70 millions d’€ pour les travaux de recherche sur le graphène [12] ; toutefois, la majeure partie de ce financement va servir à payer un nouvel institut du graphène, situé à côté de l’Université de Manchester, près du bâtiment où les chercheurs Geim et Novoselov ont isolé le graphène.
L’Union Européenne a octroyé une somme d’un millard d’€, consacrée aux recherches sur le graphène au cours des dix prochaines années, à travers un consortium qui comprend de nombreuses entreprises [13]. Le gouvernement américain n’a pas encore annoncé une initiative de financement pour les recherches et les applications sur le graphène.
À la fin de 2012, l’Office de la propriété intellectuelle, basé à Cambridge au Royaume-Uni, a enregistré 2.204 publications (soit 30%) se rapportant aux brevets sur le graphène et en provenance de Chine, 1.754 viennent des États-Unis, 1.160 sont en provenance de Corée du Sud et 54 du Royaume-Uni [14]. Samsung détient plus de brevets que toute autre société dans le monde. Et le nombre total des dépôts de brevets est en croissance exponentielle.
Sans surprise, c’est la Chine qui est le premier pays à lancer la production industrielle du graphène pour ses nombreuses applications.

La Chine débute la production industrielle du graphène

Le 5 décembre 2012, des feuilles d’aluminium enduites de graphène ont été mises en production par Ningbo Morsh Technology Company Ltd dans la province du Zhejian [15]. Cette organisation prévoit d’augmenter sa production annuelle de 30 tonnes à 300 tonnes en août 2013, et une autre ligne de production de graphène, avec une capacité annuelle de production de 1.000 tonnes est prévue, avec un doublement de son projet de feuilles d’aluminium revêtues de graphène, selon le Ph.D. Professeur Liu Zhaoping, de l’Institut des matériaux et du génie technologique de Ningbo, auprès de l’Académie chinoise des sciences.
L’équipe de Liu Zhaoping a également fabriqué des nanocomposites à base de graphène pour des applications pour les batteries au lithium Li, après avoir fait de nombreuses percées dans la recherche au cours des dernières années. Son équipe a été la première à réussir à développer la technologie à un très faible coût et avec une méthode évolutive pour fabriquer du graphène de haute qualité.
Les feuilles d’aluminium enduites de graphène seront utilisées pour augmenter la conductivité dans les cathodes pour une mise en œuvre dans les batteries au lithium. Le revêtement de graphène ultra fin (<1 nm) a le potentiel de réduire la résistance de l’interface et d’augmenter l’adhérence entre les matériaux actifs et la feuille de métal, améliorant ainsi la capacité de débit et la stabilité de cyclage des batteries.
Mais Liu Zhaoping n’est pas le seul a travailler sur le graphène en Chine ! En décembre 2012, l’Institut de recherche sur les métaux de l’Académie chinoise des sciences a annoncé que leur ligne de production pilote à un faible coût était opérationnelle, d’une part, et que la technologie de préparation du graphène à grande échelle, d’autre part, avaient été un succès ; il est prévu de conclure un accord de joint-venture pour l’industrialisation des technologies avec le Groupe Jinlu, dans la zone urbaine de Deyang, dans la province du Sichuan.
Certaines autorités gouvernementales locales en Chine ont commencé à planifier la mise en chantier de parcs industriels dédiés au graphène pour promouvoir une chaîne industrielle connexe et complémentaire, y compris dans les territoires et provinces : à Ningbo dans le Zhejiang, dans le Fujian, à Shenszhen dans le Guangdong, etc…

Pour conclure

Le graphène a certainement lancé une nouvelle ère du carbone pour l’électronique et les industries connexes. Il pourrait jouer un rôle beaucoup plus grand que la révolution apportée par les technologies du silicium.
Peut-être que le plus immédiat est un bond en avant en matière de miniaturisation qui a abouti à une impasse en raison du manque de succès dans la miniaturisation des techniques de stockage d’énergie ([16] Graphene Micro-Supercapacitors for On-Chip Energy Store, SiS 59) *.
* Version en français sur le site ISIAS, intitulée : ‘Des micro-supercondensateurs au graphène pour de l’énergie sur une puce électronique’.

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Sélection d’articles en rapport avec l’industrialisation du graphène

 INNOVATION PHYSIQUE - LA DÉCOUVERTE DE MATÉRIAUX PERFORMANTS EST UN ENJEU MAJEUR POUR L’ÉLECTRONIQUE OU L’ÉNERGIE.
Le graphène, nouvelle star de la recherche sur les matériaux. Article Les Echos n° 21009 du 05 Septembre 2011 • page 11
Nous avons franchi une étape décisive dans la mise au point d’une électronique à base de graphène. » C’est un prix Nobel de physique qui tient ce discours enthousiaste. Konstantin Novoselov a décroché la distinction suprême en 2010, avec son collègue André Geim, pour ses travaux sur cette nouvelle classe de matériaux aux propriétés extraordinaires… »
Article à lire sur : http://www.lesechos.fr/05/09/2011/LesEchos/21009-57-ECH_le-graphene--nouvelle-star-de-la-recherche-sur-les-materiaux.htm
 La Chine en phase d’industrialisation du graphène. Par Ludovic Fery publié le 06/11/2012 à 14h58

Feuille de graphène à l’échelle moléculaire. © Photo : Alexander Alus
« L’industriel Ningbo Moxi démarre la construction d’une usine de production de graphène d’une capacité annuelle de 300 tonnes dans la ville de Cixi en Chine. Le coût de revient du matériau serait de seulement 500 dollars par kilogramme… »
Article de Ludovic Fery - Source : Jec Composites à découvrir sur le site : http://www.industrie-techno.com/la-chine-en-phase-d-industrialisation-du-graphene.13995
 La Chine crée sa première feuille de graphène - 29 janvier 2013 / Dernière mise à jour : 4 février 2013
« Des chercheurs de l’institut des technologies vertes et intelligentes de Chongqing, de l’Académie des sciences de Chine ont réussi à créer leur première feuille de graphène de 15 pouces, environ 38 cm assemblé avec un écran tactile de graphène de 7 pouces, environ 18 cm. Cette feuille de graphène qui consiste en une couche unique d’atomes de carbone récupérée à la surface du graphite, marque le plus haut niveau en termes d’ingénierie du graphène atteint en Chine à ce jour… »

Pour en savoir plus : Industrial Minerals : http://www.indmin.com/Article/3147754/Channel/19557/Chinese-scientists-make-first-15-inch-graphene-sheet.html
Copyright © 2013 La France en Chine : http://www.ambafrance-cn.org/La-Chine-cree-sa-premiere-feuille-de-graphene.html - Source : http://www.ambafrance-cn.org/imprimer.html?id_article=20155&lang=fr&cs=print
 Europe : la recherche dans le graphène devient une priorité – Document PCWorld.fr du vendredi 16 août 2013. Publié le 4 février 2013 par Denis Leclercq dans Finances et industrie - Annonces Google - OutsiderClub.com/Graphene Graphene Is The Future - Learn How It Will Change The World It’s All In This Free Investor Rpt.
“L’Europe débloque un budget d’un milliard d’euros pour la recherche dans le graphène. Nokia est ravi d’y participer... Le graphène, cela fait maintenant quelques années que l’on en entend parler. Avec seulement un atome d’épaisseur, celui-ci pourrait être 300 fois plus résistant que l’acier et bien plus conducteur que le cuivre ou l’or. Mais il reste encore un défi de taille pour l’industrie. Les chercheurs doivent encore trouver le moyen de stabiliser et fabriquer de manière industrielle cette matière.. ».
Article à lire sur le site : http://www.pcworld.fr/business/actualites,europe-investissement-un-milliard-euros-graphene-nokia-priorite-emploi-croissance-economie,535639,1.htm

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Jacques Hallard, Ing. CNAM, consultant indépendant.
Relecture et corrections : Christiane Hallard-Lauffenburger, professeur des écoles.
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