Graphène

Définition

Le graphène est une couche unique (monocouche) d'atomes de carbone, étroitement liés dans un réseau hexagonal en nid d'abeille. C'est un allotrope de carbone sous la forme d'un plan d'atomes liés par sp² avec une longueur de liaison moléculaire de 0,142 nanomètre. Il est beaucoup utilisé sous sa forme d'oxyde avec l'oxyde de graphène.

Structure du graphène :

Le graphène est constitué d'une simple couche de nombreux atomes de carbone.

Explications

Des couches de graphène empilées les unes sur les autres forment du graphite, avec un espacement interplanaire de 0,335 nanomètre. Les couches séparées de graphène dans le graphite sont maintenues ensemble par les forces de van der Waals, qui peuvent être surmontées lors de l'exfoliation du graphène à partir du graphite.

Caractéristiques

Le graphène est le composé le plus fin connu de l'homme à un atome d'épaisseur, le matériau le plus léger connu (avec 1 mètre carré pesant environ 0,77 milligramme), le composé le plus fort découvert (entre 100–300 fois plus fort que l'acier avec une résistance à la traction de 130 GPa et un module de Young de 1 TPa - 150 000 000 psi), le meilleur conducteur de chaleur à température ambiante (à (4,84 ±0,44) × 10³ à (5,30 ±0,48) × 10^3 W/m·K) et aussi le meilleur conducteur d'électricité connu (des études ont montré une mobilité électronique à des valeurs de plus de 200 000 cm²/V·s). D'autres propriétés notables du graphène sont son absorption uniforme de la lumière dans les parties visible et proche infrarouge du spectre.(πα ≈ 2,3 %) et son aptitude potentielle à être utilisée dans le transport de spin.

En gardant cela à l'esprit, on pourrait être surpris de savoir que le carbone est la deuxième masse la plus abondante dans le corps humain et le quatrième élément le plus abondant dans l'univers (en masse), après l'hydrogène, l'hélium et l'oxygène. Cela fait du carbone la base chimique de toute vie connue sur terre, faisant du graphène potentiellement une solution écologique et durable pour un nombre presque illimité d'applications. Depuis la découverte (ou plus précisément, l'obtention mécanique) du graphène, les applications au sein de différentes disciplines scientifiques ont explosé, avec des gains énormes notamment dans l'électronique à haute fréquence, les capteurs bio, chimiques et magnétiques, les photodétecteurs à ultra-large bande., et stockage et production d'énergie.

Production de graphène

Initialement, la seule méthode de fabrication de graphène à grande surface était un processus très coûteux et complexe (de dépôt chimique en phase vapeur, CVD) qui impliquait l'utilisation de produits chimiques toxiques pour faire croître le graphène en monocouche en exposant le platine, le nickel ou le carbure de titane à de l'éthylène ou benzène à haute température. Il n'y avait pas d'alternative à l'utilisation de l'épitaxie cristalline sur autre chose qu'un substrat métallique. Ces problèmes de production ont rendu le graphène initialement indisponible pour la recherche de développement et les utilisations commerciales. En outre, l'utilisation du graphène CVD en électronique a été entravée par la difficulté d'éliminer les couches de graphène du substrat métallique sans endommager le graphène.

Cependant, des études en 2012 ont révélé qu'en analysant l'énergie adhésive interfaciale du graphène, il est possible de séparer efficacement le graphène du panneau métallique sur lequel il est cultivé, tout en pouvant également réutiliser le panneau pour des applications futures théoriquement un nombre infini de fois, donc réduire les déchets toxiques précédemment créés dans ce processus. De plus, la qualité du graphène qui a été séparé en utilisant cette méthode était suffisamment élevée pour créer des dispositifs électroniques moléculaires.

La recherche sur la croissance du graphène CVD a depuis progressé à pas de géant, faisant de la qualité du graphène un non-problème pour l'adoption technologique, qui est désormais régie par le coût du substrat métallique sous-jacent. Néanmoins, des recherches sont toujours en cours pour produire de manière cohérente du graphène sur des substrats personnalisés avec un contrôle sur les impuretés telles que les ondulations, les niveaux de dopage et la taille du domaine, tout en contrôlant également le nombre et l'orientation cristallographique relative des couches de graphène.

Applications

Conduire la recherche sur le graphène vers des applications industrielles nécessite des efforts coordonnés, tels que le projet européen Graphene Flagship d'un milliard d'euros. Après la première phase qui a duré plusieurs années, les chercheurs phares ont élaboré une feuille de route affinée pour les applications du graphène, qui identifie les domaines d'application les plus prometteurs : composites, énergie, télécommunications, électronique, capteurs et imagerie, et technologies biomédicales.

Être capable de créer des supercondensateurs à partir de graphène sera probablement la plus grande étape de l'ingénierie électronique depuis longtemps. Alors que le développement des composants électroniques a progressé à un rythme très élevé au cours des 20 dernières années, les solutions de stockage d'énergie telles que les batteries et les condensateurs ont été le principal facteur limitant en raison de la taille, de la capacité de puissance et de l'efficacité (la plupart des types de batteries sont très inefficaces, et les condensateurs le sont encore moins). Par exemple, les batteries lithium-ion sont confrontées à un compromis entre densité d'énergie et densité de puissance.

Lors des premiers tests effectués, les supercondensateurs au graphène gravé au laser (LSG) ont démontré une densité de puissance comparable à celle des batteries lithium-ion haute puissance utilisées aujourd'hui. Non seulement cela, mais aussi les supercondensateurs LSG sont très flexibles, légers, rapides à charger, minces et, comme mentionné précédemment, relativement peu coûteux à produire.

Le graphène est également utilisé pour augmenter non seulement la capacité et le taux de charge des batteries, mais aussi la longévité. Actuellement, alors que des matériaux tels que le lithium sont capables de stocker de grandes quantités d'énergie, cette quantité potentielle diminue à chaque charge ou recharge en raison de l'usure des électrodes. Avec l'oxyde de graphène étain comme anode dans les batteries lithium-ion par exemple, les batteries durent beaucoup plus longtemps entre les charges (la capacité potentielle a été multipliée par 10) et avec presque aucune réduction de la capacité de stockage entre les charges, rendant ainsi une technologie telle que l'alimentation électronique. véhicules une solution de transport beaucoup plus viable à l'avenir. Cela signifie que les batteries (ou condensateurs) peuvent être développées pour durer beaucoup plus longtemps et à des capacités plus élevées qu'on ne le pensait auparavant. Cela signifie également que les appareils électroniques peuvent être chargés en quelques secondes,plutôt que des minutes ou des heures et ont considérablement amélioré la longévité.

L'utilisation du graphène dans le stockage d'énergie est notamment recherchée grâce à l'utilisation de graphène dans des électrodes avancées. La combinaison de nanoparticules de graphène et de silicium a permis d'obtenir des anodes qui maintiennent 92 % de leur capacité énergétique sur 300 cycles de charge-décharge, avec une capacité maximale élevée de 1 500 mAh par gramme de silicium. Les valeurs de densité énergétique obtenues sont bien supérieures à 400 Wh/kg. Dans la prochaine phase phare, un projet Spearhead se concentrera sur la production préindustrielle d'une batterie lithium-ion à base de silicium et de graphène. Par ailleurs, un outil de dépôt de graphène par pulvérisation a été développé, permettant la production à grande échelle de films minces de graphène qui ont été utilisés, par exemple, pour produire des supercondensateurs à très haute densité de puissance.

Une autre utilisation du graphène dans des lignes similaires à celles mentionnées précédemment est celle dans la peinture. Le graphène est hautement inerte et peut donc agir comme une barrière contre la corrosion entre l'oxygène et la diffusion de l'eau. Cela pourrait signifier que les futurs véhicules pourraient être fabriqués pour être résistants à la corrosion, car le graphène peut être conçu pour être cultivé sur n'importe quelle surface métallique (dans les bonnes conditions). En raison de sa force, le graphène est également en cours de développement pour remplacer le Kevlar dans les vêtements de protection, et finira par être vu dans la fabrication de véhicules et peut-être même utilisé comme matériau de construction.

En rapport avec "graphène"

• allotrope

  

  L'allotrope fait référence aux formes cristallines possibles d'une molécule ayant subit une allotropie.

• fullerène

  

  Le fullerène est une forme de carbone ayant une grosse molécule sphéroïdale constituée d'une cage creuse d'atomes.

• graphite

  

  Le graphite détermine une forme cristallisés du carbone naturel, ou de création artificielle, de couleur gris-noir, tendre et friable.

• oxyde de graphène

  

  L'oxyde de graphène est un matériau unique qui peut être considéré comme une seule couche monomoléculaire de graphite avec diverses fonctionnalités contenant...