POSSIBLES APPICATIONS DU GRAPHÈNE – LES MEILLEURES APPLICATIONS DU MATÉRIAU MIRACLE

Source: Benchmark Mineral Intelligence www.BenchmarkMinerals.com – Décembre 2015 (Traduction par Nouveau Monde)

 

En 1855 à l’exposition universelle de Paris, un incroyable nouveau métal faisait courir les foules : l’aluminium.  L’enthousiasme envers ce métal suivait des décennies de recherche permettant finalement d’en arriver à ce point.  La grande percée se produisant quand Henri-Etienne Sainte-Claire Deville commença à produire le métal à une échelle commerciale.

Produire de l’aluminium était par contre incroyablement dispendieux. Il est dit que l’empereur  de France, Napoléon III aurait déjà convié à dîner des invités très importants auquel il leur aurait fournis de la coutellerie en aluminium.  Tous les autres invités jugés moins importants aurait dû se contenter de coutellerie en or ou en argent.

Les coûts de production de ce métal aurait beaucoup diminué seulement suite au développement du processus Hall-Heroult et grâce à l’accès à de l’énergie moins coûteuse.  Jusque là, il avait été très difficile pour l’aluminium de gagner des parts de marché.  Sainte-Claire Deville aurait déjà dit avec dépit : “Il n’y a rien de plus difficile que de convaincre les gens à utiliser un nouveau métal.”  Certaines des difficultés à commercialiser l’aluminium peuvent sembler familières à ceux qui travaillent à faire de même avec le graphène.

Depuis une dizaine d’années, plusieurs milliers d’heures ont été passées à étudier le matériel et une avalanche de brevets ont été produits.  Il y a aussi un débat continu sur les enjeux suivants: Quelle est la meilleure façon d’augmenter l’échelle de production ; comment peut-on produire à meilleur coût et quels sont les marchés qui sont naturellement les premiers utilisateurs.  C’est en quelque sorte les mêmes énigmes dont faisait face l’aluminium il y a plus de 150 ans.

 

À vos marques!

L’histoire récente du graphène ne remonte pas plus loin que 2004 quand André Geim et Kostya Novolesov ont utilisé la fameuse méthode du ruban gommé pour prélever un peu de graphite à partir d’un échantillon.  En pliant et dépliant le ruban plusieurs fois, ils sont parvenu à isoler le graphène.

Ce fameux matériau n’est composé que d’un seul élément, c’est-à-dire de carbone et il est extrêmement résistant.  En le comparant au poids avec l’acier, le graphène est 200 fois plus résistant.  Il est transparent avec une formation hexagonale qui ressemble aux nids d’abeilles et il n’est pas plus épais qu’un atome.

Le graphène est aussi léger, extensible et flexible. En outre, c’est un semi-métal qui est reconnu pour ses qualités magnétiques.  Il est imperméable et c’est le meilleur conducteur thermique et électrique qui soit. Des chercheurs de l’Université de Cambridge et d’autres institutions ont travaillé sur du câblage de cuivre qui contient du graphène.  Siva Bohn, un scientifique de Tata Steel a dit à Benchmark Minerals Intelligence (Benchmark) qu’il s’agit là d’un marché possible mais encore précoce.  Il y a peu de places pour les impuretés.  “Quand vous avez des impuretés, ne serait-ce que de 5%, la conductivité prend le champs.”

Sur le plan industriel, il faut du graphène de haute qualité produit en quantité.  Malheureusement, la production à grande échelle est là ou il y a le plus de difficultés.  Il existe des méthodes à partir “d’en haut” (top-down) ou à partir “d’en bas” (bottom-up) pour produire du graphène.  Les méthodes en partir d’en haut comprennent l’exfoliation, c’est-à-dire la scission du graphite pour en arriver aux micro-couches de graphène.  Le ruban gommé est une façon rudimentaire d’y parvenir.  Il est aussi possible d’utiliser des traitements électrochimiques.   Par exemple, du graphite dans une solution qui est bombardé par des ultrasons va créer des flocons de graphène qui peuvent ensuite être traités à l’aide d’une centrifugeuse. Les méthodes à partir “d’en bas” comprennent la synthèse chimique ou la croissance en phase gazeuse. Par exemple, le dépôt chimique en phase vapeur utilise un substrat placé dans un four à travers lequel les gaz de méthane et d’hydrogène sont passés. Les atomes de carbone dans le méthane tombent sur le substrat et forme une couche de graphène.

Les scientifiques ne s’entendent pas sur le nombre de couches nécessaires pour constituer du graphène.   Bohn est d’avis que deux ou trois couches peuvent être considéré du graphène.  “Et certaines personnes disent que ça prend 10 à 20 couches pour être considéré du graphène.”  En raison de sa conductivité, le graphène pourrait faire partie intégrante de la production de transistors ultrarapides pour les ordinateurs ou appareils électroniques.  Il est également chimiquement inerte, ce qui signifie qu’il peut être facilement utilisé avec d’autres matériaux. Cela peut être important pour les fins de l’électronique de dopage dans lequel un autre matériau est introduit avec le graphène afin d’en moduler la performance. Cela permettrait aux fabricants de « niveler par le bas » les propriétés conductrices du graphène pour que d’autres composantes électroniques puissent demeurer optimales tout en augmentant la performance globale.

Il existe une pléthore d’autres attributs et d’utilisations potentielles, notamment dans le domaine des batteries où les qualités de conducteur et d’imperméabilité du graphène pourraient être facilement utilisées.  Cependant, le développement et le déploiement de cette technologie reste assez loin. Il faut du temps pour que les marchés s’adaptent et réalise le plein potentiel d’un nouveau matériel.  Selon Andrea Ferrari, professeur de nanotechnologie à l’Université de Cambridge, « Les nouvelles technologies basées sur de nouveaux matériaux prennent de 20 à 40 ans pour aller du laboratoire à l’usine.  »  Les nouveaux matériaux qui émergent au delà de la production pilote cherchent d’abord les points d’entrés les plus faciles et les plus accessibles dans un marché. Souvent, cela se présente comme un matériau de remplacement afin d’améliorer les performances de la technologie existante. Par exemple, le graphène est déjà utilisé dans l’équipement sportif de haute qualité, tels que les raquettes de tennis allégés et renforcés de Novak Djokovic.

 

Couche de peinture

Talga Resources est occupé à faire progresser son projet de graphite qui se trouve dans le nord de la Suède.  L’entreprise cherche à exploiter le potentiel du graphène dans les peintures et les revêtements de protection et ont signé un accord de collaboration avec Tata Steel UK.  Ils visent  à explorer conjointement les possibilités du graphène dans les étapes d’approvisionnement, de transformation et de développement.  Mark Thompson de Talga Resources aurait dit à Benchmark que les peintures et revêtements bénéficieraient de marges robustes et d’une bonne demande.  La compagnie constate que le marché utilise actuellement plus de 40 millions de tonnes de ces produits par année, qui devrait croître à 52 millions de tonnes en 2017 ayant une valeur de 186 milliards $.

Le graphène serait infusé dans la peinture ou le revêtement afin de lui conférer ses qualités imperméables, aidant ainsi à bloquer l’eau, les liquides ou les autres éléments corrosifs pour qu’ils n’atteignent pas le métal en dessous. Assurer la dispersion du graphène dans le produit sera vital pour que ses propriétés puissent entrer en jeu. Cependant, pas beaucoup de graphène n’est nécessaire pour agir dans la peinture selon Thompson. « La peinture d’oxyde de zinc comprend quelque chose comme 90% de zinc. Avec le graphène, ce n’est qu’environ 1% qui soit nécessaire à diffusé pour qu’il ait un effet étonnant. » « Disons que le graphène coûte 50 000 $ la tonne, ce que certains pourraient penser cher », as-t’il poursuivi. « Eh bien la peinture coûte environ 50 000 $ la tonne, mais seulement 1% de celle-ci sera du graphène. Cela signifie un coût de graphène total de 500$ seulement sur une base de production parce que 1% de 50 000 $ est seulement 500 $.

« Il y a aussi des avantages lié à la santé et la sécurité.  Par exemple, le chrome hexavalent qui est utilisé pour fabriquer des revêtements chromé a des propriétés toxiques et il a déjà été interdit ou est sur le point d’être interdit dans de nombreuses juridictions. « Alors là, vous pourriez remplacer quelque chose de toxique avec un carbone non toxique (c’est-à-dire le graphène) », a déclaré Thompson. « Il n’est pas toujours nécessaire pour quelque chose de surperformer ce qu’il remplace lorsque c’est l’option la plus saine et plus respectueuse de l’environnement. »

Les peintures et revêtements anti-corrosifs infusé de graphène pourraient également se révéler particulièrement important pour les véhicules, en améliorant la protection contre la menace de la corrosion et en prolongeant la vie du véhicule.  En outre, il y a l’avantage supplémentaire de nécessiter moins de couches de peinture et de revêtements anti-corrosion. Cela pourrait se traduire en économies de poids et en réduction de la consommation de carburant.

 

Rêves électriques

Alors que la peinture et les revêtements anti-corrosifs sont susceptibles d’être l’un des premiers marchés d’entrée pour le graphène, cette application n’alimentera sûrement pas l’imagination publique. C’est plutôt le potentiel à court terme du graphène dans les écrans tactiles et dans la technologie sensible à la lumière qui fascine le public. « En regardant dans une perspective large, je pense que les appareils électroniques pourraient être l’endroit où nous verrons une percée technologique avec le graphène, » ce qu’aurait dit à Benchmark, le professeur Zhong Zhaohui  de l’Université du Michigan.  Le groupe de recherche dirigé par le processeur se concentre sur la nanoélectronique et la nanophotonique.

« Le graphène absorbe fortement la lumière de l’ultraviolet à l’infrarouge – c’est un matériau d’absorption super-absorbant pour ainsi dire. » « En outre, il n’est vraiment pas comme les autres semi-conducteurs, où l’absorption est généralement limitée et ou il y a des creux d’énergie, appelé un intervalle de bande (band gap). »

Le graphène transparent peut être posé au plastique pour créer des écrans tactiles ayant une expérience similaire sinon meilleure avec les tablettes, ordinateurs portables ou téléphones intelligents. « Ces applications sont les fruits à portée de main » selon Zhong.  Les écrans tactiles actuels peuvent être facilement grafignés et souvent fissurés, tandis que le graphène, avec sa force et sa souplesse, pourrait permettre une bien meilleure protection. La technologie d’écran tactile d’aujourd’hui utilise également l’oxyde d’indium d’étain.  L’indium n’est pas un matériau facilement disponible et il coûte cher à cause de cela. En revanche, les sources pour faire du graphène sont abondantes, ce qui garantit également l’offre pour les utilisateurs finaux.

Un peu plus loin dans le futur,  il y a la possibilité de téléphones et de tablettes malléables qui peuvent être enroulés ou repliés.  Les médias grand public en ont beaucoup parlé et ont créé une excitation vis-à-vis cet utilisation potentielle du graphène.  Il reste toutefois beaucoup de travail de conception à faire avant de pouvoir produire quelque chose comme un téléphone malléable.  Par exemple, quel type de batterie sera utilisé et où est-ce qu’elle sera placée? Est-ce que l’appareil utilisera les points de connexion USB ou seront-ils abolis ?

Prédire le développement d’un matériau est difficile, prédire les futures applications de cette technologie à venir est encore plus difficile.  Cependant, il est certain que le graphène performera comme prévu dans de nombreux domaines alors qu’il sera médiocre ou échouera dans d’autres. Il rendra, sans doute, de nouvelles technologies possibles. Mais même en tant que matériau perturbateur pour les technologies établies, telles que les peintures et les revêtements anti-corrosion, le graphène est déjà sur le point de devenir une partie intégrante, même omniprésente, de nos vies.

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