Le graphène est peu connu du public, pourquoi?

Depuis des décennies, les nombreuses caractéristiques du titane sont souvent vantées : densité plus faible que l’acier, résistant aux acides. Ses applications dans l’aéronautique, le médical, les vélos, les montures de lunettes sont innombrables. Pourtant, pour certains secteurs, il aurait peut-être déjà un successeur : le graphène.

Couche élémentaire du graphite, le graphène se présente sous forme de feuilles fines, de l’épaisseur d’un atome, ce qui en fait, à ce jour, le matériau le plus mince au monde. Il est plus résistant que l’acier, mais d’une densité nettement inférieure (5%), flexible, imperméable à tous les gaz, et meilleur conducteur que le silicium. Empilé, il forme le graphite, bien connu pour nos mines de crayon.

Il a été isolé, la première fois, dans un laboratoire en 2004, par Andre Geim et Konstantin Novoselov. Le prix Nobel de physique en 2010 leur a été attribué pour cette découverte. C’est cette isolation, difficile à obtenir, qui permet des possibilités incroyables.

Est-il vrai que les grands groupes industriels et de R&D ont un réel engouement pour ce matériau ?

Oui et pour preuve : en 2004, 50 brevets ont été déposés, impliquant le graphène. En 2014, le chiffre de 9 000 est avancé, en majorité, dans le secteur de l’électronique (Samsung pour 490).

La Commission européenne a retenu, en 2013, un projet de recherche, doté d’un budget d’un milliard d’euros sur dix ans, autour de ce matériau, et, à l’occasion de la semaine du graphène, en juin 2014, a annoncé les résultats du dernier appel à propositions lancé par le projet phare Graphene, qui compte désormais plus de 140 organisations issues de 23 pays. Le CNRS, Thalès et le Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives, sont présents dans ce programme.

Pouvez-vous nous citer des exemples d’applications du graphène ?

Je pourrais en citer des dizaines et sur des marchés très variés. Les plus marquantes concernent l’automobile où il peut être utilisé dans les batteries automobiles, il permettrait une autonomie de 800 kilomètres pour un poids de 100 kilogrammes, contre 200 à 300 kilomètres en moyenne actuellement.

Prospero, le premier « drone », en matériaux composites recouvert d’une peinture en graphène, est le fruit d’une collaboration entre l’Université du Lancashire central (UCLan) et l’Institut national du graphène (NGI) de l’Université de Manchester. Le premier vol a eu lieu au Farnborough Air Show le 15 juillet 2016, et a confirmé les projections, à savoir la réduction de la trainée de vol de plus de 60%, laquelle induit une économie importante de carburant. Les autres bénéfices espérés par l’usage du graphène sont une résistance au choc améliorée de près de 50% et une protection contre la foudre, car la conductivité du matériau lui confère sous certaines conditions d’assemblage les caractéristiques d’une cage de Faraday.

Des chercheurs de Samsung, en collaboration avec l’université Sungkyunkwan (Séoul) ont étudié une technique de fabrication du graphène en monocristal qui permettrait la production en séries de grandes surfaces sans en altérer les propriétés. Elle ouvrira la voie à l’usage du graphène pour fabriquer des écrans flexibles, des objets connectés et, peut-être, remplacer le silicium.

Le secteur des semi-conducteurs, le Massachusetts Institute of Technology (MIT) a diminué la contrainte relative à l’utilisation des substrats. Les chercheurs ont inséré une feuille de graphène. Sa faible réactivité dans l’axe vertical le rend électriquement «  transparent ». Cela permet la réutilisation des wafers. Une équipe de chercheurs du MIT a créé du graphène pour imprimante 3D. Cette matière est 10 fois plus résistante que l’acier.

En remplaçant le verre par du plastique ultra-mince et en utilisant des transistors organiques plutôt que du silicium amorphe, FlexEnable a mis au point un écran à cristaux liquides organiques (OLCD), une technologie qui peut être adaptée à toutes les surfaces et toutes les formes. Elle a aussi réalisé un prototype de smartphone, avec un écran à cristaux liquides, composé de graphène, s’enroulant autour du bras.

Pour les tablettes et téléphone, la société Z  ap Mp a développé un chargeur de batterie, en utilisant du graphène, permettant la recharge de la batterie en 10 minutes.

En 2015, le Royaume-Uni a lancé un projet de collaboration appelé Gravia, mené par l’Université de Cambridge, les autres membres du projet étant l’Institut du PCI du Royaume-Uni, FlexEnable et le National Physics Laboratory (NPL), pour développer l’encapsulation à base de graphène. Des chercheurs britanniques ont démontré une solution viable d’encapsulation OLED à base de graphène. Les écrans OLED sont très sensibles à l’oxygène et à l’humidité, et la nécessité de protéger les écrans est l’un des principaux défis de cette technologie d’affichage de nouvelle génération. Les écrans OLED de première génération étaient protégés par une barrière de verre, mais le verre n’est pas facilement flexible et ne peut donc être utilisé dans les OLED flexibles. Les OLED flexibles sont aujourd’hui encapsulées avec une couche mince fabriquée à partir de matériaux organiques et inorganiques, et les entreprises recherchent de meilleures technologies d’encapsulation OLED.

 

Par Laurent Darquin

Expert sectoriel

SVP Intelligence