Introduction
Le graphène est une forme allotropique du carbone, au même titre que le diamant ou le graphite. Sa structure unique, une feuille d'épaisseur atomique, lui confère une combinaison extraordinaire de propriétés physiques qui défient les lois de la physique classique. Considéré comme un matériau "miracle", il est à la base de toute une famille de matériaux bidimensionnels et représente un pont conceptuel entre la physique quantique et les applications technologiques tangibles.
Description
Le graphène est un cristal bidimensionnel (2D) parfait, formé d'atomes de carbone hybridés sp². Chaque atome est lié de manière covalente à trois voisins, créant un motif hexagonal répétitif semblable à du grillage ou à un nid d'abeilles. Cette structure est l'élément de base d'autres formes de carbone : empilé, il forme du graphite ; enroulé, il forme des nanotubes de carbone ; et façonné en sphère, il forme des fullerènes. Sa nature 2D signifie qu'il n'a qu'une longueur et une largeur, mais pratiquement pas d'épaisseur (0,345 nanomètre), ce qui en fait le premier matériau véritablement bidimensionnel stable isolé en laboratoire.
Histoire
L'existence théorique du graphène était connue depuis des décennies, mais il était considéré comme thermodynamiquement instable et donc impossible à isoler. En 2004, Andre Geim et Konstantin Novoselov de l'Université de Manchester ont réussi à l'isoler par une méthode étonnamment simple : le "scotch-tape". En collant et décollant répétitivement un morceau de graphite sur une bande adhésive, ils ont pu obtenir des fragments de plus en plus fins, jusqu'à une monocouche qu'ils ont transférée sur une plaquette de silicium. Cette découverte majeure, récompensée par le prix Nobel de Physique en 2010, a démontré que le graphène non seulement existait, mais qu'il possédait des propriétés électroniques exceptionnelles. Elle a également validé l'approche de la "physique de la table de cuisine" pour les découvertes fondamentales.
Caracteristiques
Les propriétés du graphène sont exceptionnelles et souvent des records. Il est extrêmement résistant : environ 200 fois plus résistant que l'acier à épaisseur équivalente, tout en étant très flexible. C'est un excellent conducteur thermique, surpassant le diamant. Sur le plan électrique, c'est un semi-métal avec une mobilité électronique très élevée, permettant aux électrons de s'y déplacer à des vitesses proches de 1/300 de la vitesse de la lumière, presque sans résistance (phénomène de transport balistique). Il est presque parfaitement transparent (97,7% de transparence) et imperméable aux gaz. De plus, il présente des effets quantiques fascinants, comme l'effet Hall quantique, observable à température ambiante.
Importance
L'importance du graphène est double. D'un point de vue scientifique, il a ouvert la voie à l'étude d'une nouvelle classe de matériaux 2D (phosphorène, silicène, etc.) et sert de plateforme idéale pour tester des phénomènes de physique quantique relativiste, les électrons s'y comportant comme des particules sans masse décrites par l'équation de Dirac. Technologiquement, ses applications potentielles sont vastes et transversales. Il pourrait révolutionner l'électronique avec des transistors ultra-rapides, des écrans flexibles et transparents, et des capteurs ultrasensibles. Dans le domaine de l'énergie, il est prometteur pour les batteries à recharge ultra-rapide, les supercondensateurs et les cellules solaires. En science des matériaux, il sert de renfort pour créer des composites plus légers et plus résistants pour l'aérospatiale ou l'automobile. Il est également étudié pour la filtration de l'eau, le biomédical (livraison de médicaments, implants) et les revêtements anticorrosion.
