Sommaire Introduction Historique Structure et propriétés Méthodes de production Exploitation du graphite et transformation en graphéne Le graphéne dans la vie de tous les jours Le graphéne : la révolution pour demain Annexe Lexique Bibliographie

Introduction   Quelle étrange histoire que celle du graphène et d’un vulgaire ruban d’adhésif ! Ce qu’il y a souvent de commun dans les grandes découvertes, c’est qu’elles n’auraient pas vu le jour sans accident mais surtout sans le regard curieux de chercheurs qui, au lieu d’ignorer l’accident, en cherchent la cause. La vie sur terre s’appuie sur le carbone. En serait-il de même de notre future technologie ? .

La découverte du graphène a valu le prix Nobel en physique à André Geim et à son coéquipier Kostya Novoselov en 2010. Et c’est grâce à ces deux chercheurs que nous serons amenés à nous poser cette question : Comment le graphène, de part sa structure et ses propriétés uniques, révolutionnera le monde de demain ? Nous nous intéresserons dans un premier temps à l’historique du graphène. Puis nous nous pencherons sur sa structure et ses propriétés exceptionnelles. Nous parlerons par la suite de l’exploitation du carbone et de sa transformation en graphène. Pour finir, après avoir montré la place importante qu’occuperait le graphène dans la vie de tous les jours, nous verrons en quoi celui-ci révolutionnera le monde de demain

Historique Il s’agit simplement d’un feuillet constitué d’une seule couche d’atomes organisés selon un réseau cristallin hexagonal. Le nom carbone provient du latin carbo qui signifie charbon. Le carbone est présent sur Terre depuis sa formation : il a été produit par nucléosynthèse au cœur des étoiles qui ont explosé avant la formation du système solaire. Il existe sous différentes formes de sédiments : charbon, pétrole, et également sous la forme de graphite et de diamant. Le graphite est un minerai qui est une forme naturelle du carbone pur. Le graphite peut également être formé à partir de charbon organique, lui même très abondant.

Cette forme de carbone fut tout d’abord appelée plombaginite, mais un géologue allemand Abraham Gotlieb Werner l’a renommé graphite car il a constaté qu’il n’y avait pas présence de plomb. Cette découverte s’est faite au XVIIIème siècle et c’est également à cette période que des chercheurs l’identifieront sous la forme de diamants. Abraham s’en servait pour écrire (d’où le nom graphein en grec = écrire), qui donnera plus tard le mot graphite. On le connait aussi bien sûr dans les mines de crayon.  

A la fin du XXème siècle, le carbone est apparu sous de nouvelles formes allotropiques, fullerènes et nanotubes. Et pourtant bien qu’il existe depuis des milliards d’années, le carbone n’a pas fini de nous surprendre. … En effet, au début du XXIème siècle, en 2004 plus précisément , un nouveau matériau a été découvert par deux chercheurs le GRAPHÈNE. Cette recherche vaudra à Andre Geim et Konstantin Novoselov le prix Nobel de physique en 2010   . Aujourd’hui, c’est le sujet phare de la Commission européenne qui, pendant 10 ans soutiendra le projet sur le graphène dans le cadre de ses programmes de financement de recherche et de l’innovation

Structure et propriétés

Méthodes de production Le graphène se trouve à l'état naturel dans les cristaux de graphite ; le graphite se définit en effet comme un empilement de feuilles de graphène. Plusieurs techniques ayant pour but de rendre le graphène exploitable ont vu le jour ces dernières années. Depuis 2009, année où seulement deux sociétés (Graphéne Industries et Graphéne Works) étaient capables de le produire, de nombreux projets publics et privés ont vu le jour avec pour objectif de diminuer le coût, jusqu'alors prohibitif, du matériau.

Parmi ces programmes, on peut citer une première tentative de Ningbo Moxi Co. Ltd1, qui se serait lancé en juillet 2011 dans l'étude et la construction d'une ligne de production capable de fabriquer 30 tonnes de graphène par an à un coût qui pourrait être inférieur à 1 $ le gramme2. Graphène exfolié Le principe consiste à arracher une très fine couche de graphite du cristal à l'aide d'un ruban adhésif, puis de renouveler l'opération une dizaine de fois sur les échantillons ainsi produits afin que ces derniers soient les plus fins possibles. Ils sont ensuite déposés sur une plaque de dioxyde de silicium où une identification optique permettra de sélectionner les échantillons constitués d'une unique couche.

Graphène épitaxié Il s'agit de produire du graphène à partir de carbure de silicium. Un échantillon de ce dernier est chauffé sous vide à 1 300 °C afin que les atomes de silicium des couches externes s'en évaporent. Après un temps bien déterminé, les atomes de carbone restants se réorganisent en fines couches de graphène. Graphène par voie chimique Le principe consiste à oxyder du graphite dans un milieu acide (par exemple acide sulfurique et permanganate de potassium) puis utiliser de l'hydrazine comme solvant réducteur pour purifier le graphène. On peut ainsi produire de grandes quantités de graphène, mais de qualité inférieure.

Graphène produit par CVD[ CVD : Dépôt chimique en phase vapeur Le graphène est produit par la décomposition catalytique à haute température d'un gaz carboné (méthane, éthylène, etc.) sur un métal, en général, du cuivre, du nickel ou encore de l'iridium. La température optimale de réaction dépend du type de gaz et de métal. On distingue deux grandes familles de réaction : sur des métaux comme le cuivre, la décomposition du gaz carboné produit des atomes de carbone qui restent en surface du fait de leur très faible solubilité dans le métal, et interagissent pour former une couche de graphène en surface ; sur des métaux de type nickel, c'est la forte variation de solubilité du carbone dans le métal en fonction de la température qui permet, une fois que le carbone produit a diffusé dans le métal à haute température, de se retrouver expulsé en surface de celui-ci lorsque la température diminue. Cette technique produit en général quelques couches de graphène.

Exploitation du graphite et transformation en graphéne Le graphène est une matière synthétique résultant d'une transformation chimique complexe. Il provient du graphite, une espèce minérale qui se trouve à l'état naturel et à l'état synthétique. Le graphite est un allotrope naturel du carbone cela veut dire que le graphite est une variété de carbone. Le graphite est particulièrement connu dans l'écriture car les mines de crayon de papier en sont composées.  

1Exploitation du graphite: a) Le graphite à l'état naturel Le graphite se définit comme un empilement de feuilles de graphène. Plusieurs techniques ayant pour but de rendre le graphène exploitable ont vu le jour ces dernières années. Il existe différents gisements de graphite à travers la planète comme les gisements métamorphisés qui résulte de l’emprisonnement de matière organique comme le charbon sous une roche imperméable ainsi que de nombreux autres gisements à ciel ouvert. L'extraction se déroule en plusieurs étapes telles que le forage en profondeur pour délimiter les zones contenant du graphite, le dynamitage de cette zone pour en récupérer les précieux matériaux, le triage puis la cuisson du graphite obtenu pour éliminer toutes les particules d'eau introduites dans le miner

C'est en Chine et au Québec que les gisements sont les plus abondants C'est en Chine et au Québec que les gisements sont les plus abondants. Le graphite à déjà des propriétés intéressantes. Il est conducteur et résistant à la chaleur. b) Le graphite à l'état synthétique On peut aussi créer du graphite à partir de trois matières premières tels que les cokes (carbonisation du goudron à 1000 °C), une faible quantité de graphite naturel et du noir de charbon (dérivé du pétrole). C'est la synthèse du graphite. Fabrication : Les ingrédients sont d’abord broyés. Ils sont ensuite chargés dans un mélangeur chauffant. La hausse de la température va faire fondre le liant et provoquer à terme, l’humidification des grains avant que la baisse progressive de la température permette d’accroître la viscosité du mélange jusqu’à sa solidification

Après une nouvelle opération de broyage, le mélange est introduit dans un moule en caoutchouc pour être compressé. Il passe ensuite par une étape de cuisson destinée à éliminer les matières volatiles tel que les résidus du noir de charbon. Cette phase extrêmement longue (1 à 2 mois) s’effectue à une température de 800°C à 1000°C.   Ensuite arrive la phase de graphitation, qui consiste à traiter les blocs, dans un four électrique à 3000°C pendant une à trois semaines. A très haute température, les atomes de carbone se réorganisent en structures cristallines hexagonales, constituant ainsi du graphite artificiel. Les propriétés de la matière changent. Le matériau devient un bon conducteur. Sa résistance à l'oxydation s'améliore.

Les blocs sont ensuite sciés aux dimensions finales puis font l’objet d’une série de tests (densité, résistivité, résistance à la flexion, dureté, coefficient de dilatation….) pour en garantir la qualité. La durée totale de cette première phase est d’environ 4 mois.  

Différents traitements complémentaires de purification et d’imprégnation vont ensuite permettre de faire ressortir les qualités du graphite et lui donner des atouts indispensables dans de nombreux procédés industriels.

2)Transformation en graphène: De nos jours, le graphène est produit en très petite quantité car ils y a de grandes contraintes de fabrication et la production est onéreuse. Seul deux entreprises Américaines ont investi dans ce secteur. La première étape du processus de fabrication consiste à oxyder du graphite avec de l'acide sulfurique, un échange d'ions s’effectue et on obtient de l'oxyde de graphite. Dans la deuxième étape, on utilise de l'hydrazine comme solvant réducteur pour purifier la couche de graphène puis on cuit cette couche à une température de 1600 °C. On obtient une plaque de graphène dont les atomes sont rangés en forme de nid d'abeille.   C + H2SO4 + N2H4 =

  Cependant, des chercheurs de Samsung ont collaboré avec l’université sud-coréenne de Séoul pour mettre au point une nouvelle méthode de fabrication du graphène en monocristal qui permet d’envisager la production de masse de grandes surfaces sans altérer les propriétés de ce matériau. Une avancée très importante qui ouvre la voie à l’usage du graphène pour fabriquer des écrans flexibles des objets connectés et, à terme, peut-être remplacer le silicium. La méthode de fabrication du graphène en monocristal consiste à empiler et à compacter plusieurs couches de graphène puis les fixés entre elles par un traitement thermique à une température de 100 °C.On obtient une feuille de graphène transparente, résistante et flexible. Entre chaque couches, il y a un espace infiniment petit de l'ordre de 0,142 nm

Le graphéne dans la vie de tous les jours a) Le graphène dans l'automobile De nos jours, l'automobile est indispensable pour se déplacer mais dans un souci environnemental et économique l'électricité est privilégiée. Dans une trentaine d'années, l'ensemble des voitures fonctionneront à l'électricité. Pour cela, des ingénieurs innovent chaque année pour rendre encore plus pratique l'utilisation de l’électricité dans l'automobile. Aux USA en 1998, la batterie au lithium-ion* est crée. Cette batterie permet de stoker beaucoup d'énergie mais son chargement est lent, les batteries sont lourdes, coûtent cher et leur durée de vie d'est pas élevée

. C'est pour cela que des chercheurs de l'université Vanderbilt dans le Tennessee en Amérique ont mis au point une batterie révolutionnaire qui va vraiment changer notre vie. Cette batterie surpuissante met quelques secondes à se charger et pourrait fonctionner pendant des semaines sans la charger. De plus, sa durée de vie est bien plus importante qu'une batterie classique: 5.000 rechargements en moyenne contre 1.200 pour les batteries au lithium-ion. Une telle innovation ne pouvait pas échapper aux constructeurs automobiles sans cesse en recherche de nouvelles technologies pour rendre leurs véhicules plus fiables et plus économiques. C'est le cas de Tesla un constructeur automobile californien encore peut connu du grand public qui à tout misé sur les voitures haut de gamme fonctionnant avec des batteries au graphène. Leurs voitures se rechargent en un temps record de 90 secondes contre 8 heures pour les voitures utilisant des batteries au lithium-ion.

Les ingénieurs de Tesla ont mis au point une voiture électrique performante qui répond aux attentes d'une famille en ayant la possibilité de faire de grands voyages contrairement aux voitures électriques classiques qui peuvent parcourir en moyenne 150 kilomètres.

Batterie classique au lithium. 40 cm 10 cm Batterie au graphène Tesla. On remarque une batterie compacte à faible encombrement qui laisse de la place dans une voiture. Batterie classique au lithium. On remarque que la batterie occupe tout le coffre de la voiture du fait de sa taille.

b) Le graphène dans les Smartphones ) Le graphène présent dans la vie de tous les jours B) Comme l’a écrit Nick Bilton dans le New York Times, ce n’est pas le plastique qui sera le matériau du futur mais le graphène. En effet celui- ci est le plus résistant et le plus mince au monde. C’est le meilleur conducteur d’électricité et comme le caoutchouc, il est très extensible, il pourrait être étiré de 20% tout en étant capable de conduire l’électricité Alors que le silicone qui équipe les appareils électroniques d’aujourd’hui, ne peut être étendu sans dommage que de 1

%.. Le graphène est à la fois transparent, conducteur et flexible, des qualités qui sont rarement associées dans un seul matériau. Le graphène est de haute qualité et peu coûteux, ce qui va permettre une grand production industrielle sans trop de coût. Le graphène peut être exploité dans beaucoup de domaine et notamment dans le high-tech. Il va permettre la création de gadget flexible tel que les téléphones portables, pour des batteries submersibles et à longue durée et tout ça à prix raisonnable. Avec un potable en graphène, il serait possible de l’utiliser pendant 15 jours et à le recharger que pour 15 minutes. En 2011, une première batterie combinant graphène et silicium a été développée par des chercheurs de la Northwestern University. Ce qui n’est pas du tout le cas de nos portables où en un jour, il n’y a plus de batterie

La plus grande peur des jeunes aujourd’hui est cette barre qui s’affiche en haut d’un Ipod ou d’un Iphone. En plus de ça, le temps de rechargement est excessivement long. Ce nouveau matériau donne donc envie à plein d’utilisateur de l’intégrer dans leur téléphones. Des chercheurs du Samsung Advanced Institute of Technology ont trouvé le moyen à partir de plaquette de silicium de produire du graphène de haute qualité permettant ainsi d’intégrer plus tard les écrans de téléphone souples et également intégrer cette molécule dans les batteries.

Des chercheurs de l'université Vanderbilt dans le Tennessee sont parvenus à fabriquer une puce en silicium et graphène capable d'alimenter téléphone ou ordinateur portable en énergie bien plus longtemps que les batteries classiques. Comment faites-vous si vous n’avez plus de batterie pour passer un appel important ou encore pour envoyer un mail ?

Le temps de trouver le chargeur et de recharger votre batterie, vous êtes sur de rater votre rendez vous. Tout le monde a connu ce problème. Des chercheurs voulaient remplacer le stockage chimique de l’électricité en intégrant une puce en silicium qui grâce à l’action des ions et à l’usage du graphène permettrait d’accroître la densité d’énergie stocké. Grâce à cette découverte, il serait possible à la fois d’avoir une grande autonomie mais aussi de recharger un téléphone rapidement. Il y a déjà un prototype qui est sorti de chez Samsung :  

Cette photo montre bien les critères du graphène : souple, malléable, résistant. En 2012, l’American Chemical Society a déclaré que le graphène permettrait de concevoir des téléphones portables « minces comme une feuille de papier et pliables au point de pouvoir rentrer dans une poche ». Plus besoin de grande poche pour mettre des téléphones, il suffira tout simplement de le rouler. Une équipe internationale de chercheurs est en train de réaliser des essais qui pourraient aboutir à la création d’ordinateurs quantiques à base de graphène qui pourrait se révéler être les ordinateurs du futur. Le critère de la submersibilté pourra être présent également dans la médecine pour par exemple être utilisé pour concevoir des équipements implantés directement dans le corps.

c)Autres applications

Le graphéne : la révolution pour demain

Lexique Atomes Réseau cristallin Nucléosynthèse Etoile explosée Charbon Pétrole Diamant Graphite Dioxine de silicium Carbure de silicium Silicium Oxyder Acide Acide sulfurique Permanganate de potassium Hydrazine Réducteur Méthane Ethylène Cuivre Nickel Iridium  

Bibliographie Historique :   Historique : Archives-ouvertes : Elaboration de graphène par épitaxie, par jets moléculaires et caractérisation, 2 février 2012. Https://tel.archives-ouvertes.fr http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/physique-graphene-materiau- avenir-electronique-devoile-54643/ http://fr.wikipedia.org/wiki/Graph%C3%A8ne http://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/charbon http://cjouneau1.free.fr/hyperpaysage/charbon1.htm A) http://www.teslamotors.com/fr_FR/ http://www.consoglobe.com/voiture-futur-graphene-transports-automobile-cg http://blog.motorlegend.com/motorshift/2013/05/voiture-electrique-la-revolution-du-graphene/ B) http://www.egaliteetreconciliation.fr/Decouvrez-le-materiau-qui-va-radicalement-changer-le- monde-le-graphene-24787.html http://www.latribune.fr/technos-medias/electronique/20131028trib000792825/la-super-batterie- au-graphene-chargee-en-un-eclair-autonome-pendant-des-semaines.html http://www.2012un-nouveau-paradigme.com/article-decouvrez-le-materiau-qui-va- radicalement-changer-le-monde-le-graphene-123379722.html http://www.androidetvous.com/2014/05/14/commercialiser-graphene-samsung/ http://translate.google.fr/translate?hl=fr&sl=en&u=http://www.pcadvisor.co.uk/features/tech- industry/3453389/graphene-batteries-what-you-need-know/&prev=search http://french.ruvr.ru/2013_01_11/Le-graphene-est-meilleur-decontaminant-d-eau/