22 octobre 2004 – Découverte du graphène

Découverte et isolation d’un nouveau matériau miracle, le graphène, annoncé dans un article par Andre Geim et Konstantin Novoselov (Prix Nobel 2010). Incroyablement, ils ont utilisé du scotch pour décoller les couches de graphiteLes scientifiques trouvent souvent des moyens ingénieux d’atteindre leurs objectifs de recherche, même si cet objectif est un matériau véritablement bidimensionnel que de nombreux physiciens estimaient ne pas pouvoir cultiver. En 2003, un physicien ingénieux a pris un bloc de graphite, du scotch et beaucoup de patience et de persévérance et a produit un magnifique nouveau matériau merveilleux qui est un million de fois plus fin que le papier, plus résistant que le diamant, plus conducteur que le cuivre. C’est ce qu’on appelle le graphène, et il a pris d’assaut la communauté des physiciens lorsque le premier article est paru l’année suivante.  L’homme qui a découvert le graphène en premier, avec son collègue, Kostya Novoselov, est Andre Geim. Geim a étudié à l’Université physico-technique de Moscou et a obtenu son doctorat à l’Institut de physique du solide de Tchernogolovka, en Russie. Il a passé deux ans à l’Institute for Microelectronics Technology avant de faire une bourse à l’Université de Nottingham en Angleterre. En 1994, il a rejoint la faculté de l’Université de Nimègue aux Pays-Bas, puis est retourné à l’Université de Manchester en Angleterre en 2001 pour devenir directeur du Centre de mésoscience et de nanotechnologie.                               Geim a un don pour les sujets de recherche originaux mais significatifs. Il a fait la une des journaux en 1997 lorsqu’il a utilisé un champ magnétique pour faire léviter une grenouille, ce qui lui a valu un prix Ig Nobel en 2000. Il a déjà co-écrit un article avec son hamster préféré, « Détection de la rotation de la terre avec un gyroscope à lévitation diamagnétique », insistant que « HAMS ter Tisha » a contribué « le plus directement » à l’expérience de lévitation. (Selon Wikipedia, le hamster a ensuite postulé pour un doctorat à l’Université de Nimègue.) Et en 2007, son laboratoire a développé un adhésif micro fabriqué imitant les coussinets collants d’un lézard gecko. Geim a déclaré que sa stratégie de recherche prédominante consiste à utiliser toutes les installations de recherche à sa disposition et à essayer de faire quelque chose de nouveau avec l’équipement dont il dispose. Il appelle cela sa « doctrine Lego » : « Vous avez toutes ces pièces différentes et vous devez construire quelque chose strictement basé sur les pièces que vous avez. » Dans le cas du graphène, son laboratoire était bien équipé pour l’étude de petits échantillons.                            Les nanotubes de carbone étaient – et sont – un domaine majeur de la recherche sur les matériaux, et Geim pensait qu’il serait possible de faire quelque chose de similaire aux nanotubes de carbone, uniquement dans une configuration dépliée. Il a eu l’idée de polir un bloc de graphite à seulement 10 ou 100 couches d’épaisseur, puis d’étudier les propriétés du matériau. L’un de ses étudiants s’est vu confier la tâche et a produit un grain de graphite d’environ 1000 couches d’épaisseur, un peu en deçà de la marque. C’est alors que Geim a eu l’idée d’utiliser du scotch pour décoller la couche supérieure. Des flocons de graphite se détachent sur le ruban, et le processus peut être répété plusieurs fois pour obtenir des flocons progressivement plus fins attachés au ruban. Il a ensuite dissous le ruban dans une solution, lui laissant des flocons de graphite ultra-minces : seulement 10 couches d’épaisseur. En quelques semaines, son équipe avait commencé à fabriquer des transistors rudimentaires avec ce matériau. Les raffinements ultérieurs de la technique ont finalement donné les premières feuilles de graphène. « Nous avons trompé la nature en fabriquant d’abord un matériau tridimensionnel, qui est du graphite, puis en en extrayant une couche individuelle », a déclaré Geim.En octobre 2004, Geim a publié un article annonçant la réalisation de feuilles de graphène dans Sciencemagazine, intitulé « Effet de champ électrique dans les films de carbone atomiquement minces ». C’est maintenant l’un des articles les plus cités en physique des matériaux et, en 2005, les chercheurs avaient réussi à isoler des feuilles de graphène. Le graphène n’a qu’un atome d’épaisseur – peut-être le matériau le plus mince de l’univers – et forme un réseau cristallin de haute qualité, sans lacunes ni dislocations dans la structure. Cette structure lui confère des propriétés intrigantes et a donné lieu à une nouvelle physique surprenante. D’un point de vue fondamental, la capacité la plus excitante du graphène est le fait que ses électrons conducteurs s’organisent en quasi-particules qui se comportent davantage comme des neutrinos ou des électrons se déplaçant près de la vitesse de la lumière, imitant les lois relativistes de la physique. Dans la plupart des matériaux, les porteurs de charge se comportent de manière plus classique. Geim a comparé l’effet au Large Hadron Collider, « mais sur votre bureau ». Cela permet de tester conceptuellement certaines idées en physique des particules et en astrophysique à une plus petite échelle, plutôt que dans un collisionneur de plusieurs millions de dollars.

L’application la plus évidente est l’utilisation du graphène pour remplacer les puces de silicium, car cette technologie atteint rapidement ses limites fondamentales (en dessous de 10 nanomètres). Il est également possible de fabriquer du graphène à l’aide de techniques de croissance épitaxiale – en développant une seule couche au-dessus de cristaux avec un substrat correspondant – afin de créer des plaquettes de graphène pour des applications électroniques. Ainsi, le graphène est prometteur pour une utilisation dans les transistors haute fréquence dans le régime térahertz, ou pour construire des cartes de circuits imprimés miniatures à l’échelle nanométrique. Il existe des barrières techniques : le graphène est métallique, les scientifiques devraient donc trouver un moyen de rendre le matériau semi-conducteur. Ils devront également développer une technique de production de feuilles de graphène en grande quantité si le matériau doit trouver une application dans des secteurs industriels à grande échelle.

Pour l’instant, le graphène est exploré comme charge dans le plastique pour fabriquer des matériaux composites, de la même manière que les nanotubes de carbone sont utilisés pour renforcer la résistance des matériaux en béton, par exemple. Les suspensions de graphène peuvent également être utilisées pour fabriquer des films optiquement transparents et conducteurs adaptés aux écrans LCD.

Le graphène pourrait même avoir le pouvoir d’apprivoiser la démangeaison notoire de Geim depuis cinq ans : c’est à quelle fréquence il a eu tendance à changer de sujet de recherche dans le passé. Pourtant, il a même mis de côté ses recherches prometteuses sur les bandes de gecko pour se concentrer principalement sur le graphène, qu’il admet être de loin le plus scientifiquement significatif de ses résultats. « Avec le graphène, chaque année apporte un nouveau résultat, un nouveau sous-domaine de recherche qui s’ouvre et déclenche une ruée vers l’or », a déclaré Geim à Science.en 2007. «Je veux mettre beaucoup plus de pieux dans le sol avant qu’il ne soit complètement couvert, avant que toute la science intéressante ne soit revendiquée et prise. Ensuite, il sera temps de passer à autre chose.

https://www.aps.org/publications/apsnews/200910/physicshistory.cfm