Le graphène est un matériau qui se présente en feuillets ultra-minces, d'un atome d'épaisseur. Il est composé de carbone qui forme un réseau en forme d'alvéoles d'abeilles.

Du graphite au graphène

«J'ai affirmé en classe à mes étudiants que le graphène, qui a valu le prix Nobel de physique 2010 à leurs découvreurs, pourrait donner un nouvel essor à l'industrie du graphite au Québec. Mais mes étudiants sont sceptiques...», dit Richard-Marc Lacasse qui, on l'aura deviné, est professeur.
Le graphène est un matériau effectivement rempli de promesses dont les applications potentielles font saliver bien des ingénieurs. Il est, aussi étonnant que cela puisse paraître, uniquement composé d'un des éléments les plus communs sur Terre, soit le carbone. Dans certaines circonstances, les atomes de carbone ont tendance à s'assembler en feuillets ultra-minces, d'un atome d'épaisseur, où les carbones tissent un réseau en forme d'alvéoles d'abeilles (voir l'image ci-contre). Ces feuillets vont ensuite spontanément se superposer les uns aux autres, et leur empilage porte un nom : le graphite.
Comme nous l'a expliqué le professeur de physique de l'Université de Montréal (UdeM) Normand Mousseau, les atomes d'un même feuillet sont attachés entre eux par des liens chimiques forts, dits «covalents». Cependant, les feuillets ne sont liés entre eux que par des forces beaucoup plus faibles, les forces de Van der Waals. Dans toute molécule, en effet, les charges électriques positives (les protons, dans le noyau des atomes) et négatives (les électrons) ne sont jamais réparties tout à fait uniformément, si bien qu'il reste toujours des «bouts» qui ont une faible charge électrique. Comme ces charges s'attirent lorsqu'elles sont de signes contraires, les molécules (ou les feuilles de carbone, dans le cas qui nous intéresse ici) vont coller les unes aux autres, quoique faiblement.
C'est d'ailleurs cette faiblesse qui permet aux mines des crayons de plomb, faites de graphite, de laisser une trace sur du papier, illustre M. Mousseau.
Cependant, ces feuilles de carbone ne se trouvent jamais seules, jamais une à une dans la nature, mais uniquement sous la forme d'empilades. La possibilité théorique de l'existence de feuillets solitaires a été calculée dans les années 40 par le physicien canadien Philip Wallace (à Montréal, d'ailleurs), mais personne n'est parvenu à isoler une feuille unique jusqu'à ce que deux physiciens de l'Université de Manchester, Andre Geim et Konstantin Novoselov, finissent par réussir l'exploit, en 2004. Ils s'y sont pris, essentiellement, en exfoliant (ou en «épluchant», si l'on préfère) du graphite à l'aide d'un instrument extraordinairement sophistiqué, une technologie nommée... Scotch tape.
Fallait y penser, mais c'est bel et bien avec un humble ruban gommé que Geim et Novoselov sont parvenus à isoler des fragments de feuillets de carbone, qu'ils ont ensuite transférés sur une matrice de silicone pour en étudier les propriétés.
Question de masse
Le graphène dont parlait notre lecteur à ses étudiants, ce n'est rien d'autre que ces feuillets de graphite séparés. Les propriétés qui en font littéralement une star des nouveaux matériaux tiennent, essentiellement, au comportement de ses électrons, explique un autre physicien de l'UdeM, Michel Côté.
«Ce qui arrive, c'est que tant que les électrons se promènent dans le cristal [soit l'empilade de feuillets], ils sont comme des électrons ordinaires qui se cognent un peu sur les atomes, comme d'habitude. Mais dans le graphène, les interactions avec les atomes font en sorte que c'est comme si l'électron n'avait pas de masse du tout. [...] Il faut noter que c'est de la masse effective dont on parle ici. C'est comme quand vous vous déplacez dans l'eau, par exemple : ça vous prend pas mal plus de force pour vous déplacer que lorsque vous êtes dans l'air.» Et de la même façon, on pourrait aussi dire que nous sommes en quelque sorte «plus légers» quand nous courons avec le vent dans le dos.
«Alors vraiment, insiste M. Côté, l'interaction avec le milieu change votre masse», et il en va de même avec les électrons, dont la masse effective peut varier selon la molécule ou l'atome dans lequel ils se trouvent. Par exemple, illustre le physicien, dans le silicium, les électrons perdent jusqu'à 90 % de leur masse effective.
Et ce qu'il y a de particulier avec le graphène, c'est qu'il va encore plus loin : il ramène carrément à zéro la masse de ses électrons, et il est le seul matériau connu à le faire.
Le résultat, un brin hallucinant, est que l'«on a affaire à des électrons qui se comportent un peu comme de la lumière [qui elle non plus n'a pas de masse]», explique M. Côté.
Avec cette propriété unique, le graphène est promis à un très brillant avenir - c'est d'ailleurs pourquoi ses découvreurs ont gagné le Nobel seulement six ans après leur trouvaille, ce qui est exceptionnellement court.
Dans un article publié en 2007, MM. Geim et Novoselov entrevoyaient des microprocesseurs à base de graphène, mais seulement dans un avenir assez éloigné. Dans l'intervalle, prévoyaient-ils, on profitera vraisemblablement de ses propriétés (dureté exceptionnelle par rapport à sa densité, conducteur transparent, etc.) pour améliorer des matériaux déjà connus - pour faire des plastiques conducteurs d'électricité, par exemple, ou éventuellement fabriquer des écrans tactiles plus résistants.
Cependant, note M. Mousseau, qui a récemment écrit un ouvrage intitulé Le défi des ressources minières, «on n'est pas encore rendu aux applications du graphène, on est encore dans la recherche fondamentale». Il est donc difficile de prévoir quelle sera l'ampleur de la demande supplémentaire de graphite qui viendra du graphène, mais il faut spécifier ici que le graphite est déjà passablement utilisé en industrie et que ses perspectives d'avenir sont, elles aussi, déjà bonnes sans compter le graphène.
On s'en sert par exemple comme d'un lubrifiant dans divers appareils, dit M. Mousseau, «quand on veut éviter que le lubrifiant cuise [comme l'huile le ferait à très haute température] ou quand on ne veut pas avoir de graisse». Le site du ministère des Ressources naturelles fait également état d'applications dans la peinture et la fabrication de l'acier. Mais pour l'avenir, l'explosion viendra vraisemblablement du fait que le graphite est une composante essentielle des batteries de voitures électriques.
Il s'est extrait environ 1,2 million de tonnes de graphite dans le monde en 2010, mais d'après des projections de la firme de consultants en investissements Byron Market Capital, la production pourrait bien doubler d'ici 2020, principalement à cause de ces batteries. Il y a, par exemple, 28 kg de graphite dans chaque batterie de Chevrolet Volt, et 58 kg dans chaque batterie de Nissan Leaf. La conversion aux transports électriques à elle seule peut donc faire exploser la demande en graphite.
Autres sources :
Andre G. Keim et Konstantin S. Novoselov, «The Rise of Graphene», Nature Materials, 2007. http://bit.ly/cBeKMT
Académie royale des sciences de Suède, Graphene, Stockholm, 2010, http://bit.ly/XFBSn4
Jon Hykawy et Jonathan Lee, Batteries : Why We Need them, and What We Need to Make Them. Toronto, Byron Market Capital, 2011, http://bit.ly/10mCL63