Lorsqu’en 2004, Konstantin Novoselov et Andre Geim de l’Université de Manchester ont annoncé dans le journal Science avoir isolé une feuille unique de graphène – un cristal bidimensionnel de carbone ayant une structure en nid d’abeille, l’onde de choc dans le monde scientifique a été immense.
La technique utilisée par Konstantin Novoselov et Andre Geim est extrêmement simple : ils ont utilisé du scotch pour isoler pas à pas des couches de graphite, comme celles que l’on trouve dans les traces de simples crayons à papier, pour obtenir au final une couche unique, du graphène. Ce coup de génie leur a valu le prix Nobel de Physique en 2010.
Des propriétés qui sortent de l’ordinaire
La structure du graphène lui confère une série de propriétés extraordinaires même à température ambiante. Regardons-les d’un peu plus près. En étant purement bidimensionnel et d’épaisseur d’un atome, le graphène est un matériau extrêmement léger : une surface équivalente à un champ de foot pourrait être recouverte par une couche de graphène pour un poids total inférieur à un gramme. En étant de l’épaisseur d’un atome de carbone, une feuille de graphène assure la transmission de l’amplitude d’un rayon de lumière blanche à plus de 95 %, ce qui le place bien au-dessus du verre classique, qui n’en transmet que 80 %.
Sa structure lui confère une conductivité thermique extraordinaire, bien supérieure à celle du cuivre et même au-delà de celle du diamant lorsque le graphène est « suspendu », c’est-à-dire qu’il n’y a pas de « substrat », de surface dessous pour le soutenir.
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L’enthousiasme du monde académique pour le graphène a été immédiat et de nombreuses applications ont vu le jour rapidement notamment dans le domaine de l’électronique.
Du laboratoire au grand public
De par ses propriétés extraordinaires, le graphène est déjà inclus ou est en passe de l’être dans le renforcement des matériaux en remplacement des nanotubes de carbones, le traitement des surfaces de verre pour les vitres intelligentes, les lunettes et pour les écrans tactiles, en passant par la filtration de l’eau grâce à sa structure en nid d’abeille atomique, les batteries électriques et l’électronique flexible pour des systèmes enroulables et pliables extrêmement fins.
Dans le domaine de la santé, le graphène participe à des pansements intelligents et à des traitements contre le cancer malgré une potentielle toxicité selon les cas.
Toutefois, pour le moment il est essentiellement utilisé comme composant secondaire ou d’appoint.
C’est comme substituant du silicium que l’utilisation du graphène pur présente de nombreuses promesses pour réaliser un véritable bond technologique. Dès 2011, IBM a présenté le premier circuit intégré ayant un transistor exclusivement en graphène.
Cependant, aujourd’hui encore la majorité des produits développés s’arrêtent à la phase du prototypage et une utilisation dans des systèmes commerciaux du graphène reste encore problématique.
Le difficile passage à l’échelle industrielle
En effet, plusieurs facteurs empêchent une vraie industrialisation à large échelle. Le coût d’obtention de plaquettes de graphène (de taille micronique sur une épaisseur atomique) reste encore trop élevé, autour de 100 à 700 euros par kilogramme. La largeur de cette fourchette de prix est influencée par plusieurs facteurs, tels que la qualité du graphène souhaitée, la taille des plaquettes et la technique de production. Par exemple, une feuille de 1 centimètre carré de graphène pur coûtera bien plus cher à faire qu’une multitude de plaquettes représentant la même surface au total.
La mise en place et l’optimisation de procédés industriels adéquats demandent des investissements considérables. Plusieurs méthodes ont été développées afin d’aboutir à la production de feuillets de graphène, par exemple l’exfoliation mécanique en phase liquide, le dépôt chimique en phase vapeur, l’oxydation de graphite en milieu acide et récemment la méthode du chauffage flash de produits carbonés comme les déchets alimentaires, les plastiques. Des entreprises commencent aussi à développer des approches nouvelles pour produire du graphène à grande échelle. Ces techniques sont efficaces, mais leur mise en place et leur optimisation requièrent des moyens encore considérables.
Niche du marché malgré les milliards investis
Ainsi, les produits à base de graphène constituent, pour le moment, une niche du marché qui ne réussit pas vraiment à décoller. En 2019, la taille du marché du graphène a été estimée à « seulement » 79 millions de dollars, alors que celle du marché des nanotubes de carbone par exemple a été estimée à 2,6 milliards de dollars. D’ici 2027, la croissance du marché du graphène devrait être de 38 %, mais dans le même temps celui des nanotubes de carbone devrait atteindre 5,8 milliards de dollars. L’industrie du graphène est toujours perçue par les potentiels investisseurs comme un marché encore immature à cause d’un manque de standardisation et de fiabilité sur les propriétés du produit vendu. Cette vision par les bailleurs de fonds du marché du graphène reste le principal frein d’expansion et de développement de ce marché spécifique.
Néanmoins, diverses industries et de grands groupes comme Samsung ont commencé depuis 2014-2015 à investir dans des programmes internes de plusieurs milliards d’Euros afin de développer de nouveaux produits à base de graphène, ou du moins utilisant certaines des propriétés remarquables de celui-ci. L’Union européenne a alloué un programme de financement décennal d’un milliard d’Euros depuis 2013 pour le développement du secteur de la R&D autour du Graphene. En 2020, celle-ci a complété ce programme par un autre programme de financement de quatre ans de 20 millions d’euros avec l’objectif le développement et l’introduction dans le marché de nouveaux composants électroniques à base de graphène.
Des initiatives similaires ont été mises en place dans le monde. En 2015, la Corée du Sud a alloué un investissement quinquennal de 108 millions de dollars pour encourager la commercialisation du graphène. En Chine, le gouvernement a identifié l’industrialisation du graphène comme une des priorités dans son plan de développement pour la période 2016-2020. En 2013, le « Graphene Council » a été fondé aux États-Unis. Cette association a pour but de servir de réseau pour la communauté mondiale du graphène. Elle propose par exemple des services de certification pour les différents producteurs de graphène pour créer des standards de production et de qualité qui puissent être reconnus par de potentiels investisseurs.
Les systèmes « tout graphène » ne sont pas encore prêts pour passer des applications en laboratoire vers l’industrie. Cependant, les investissements et les progrès sont réels. Si nos ordinateurs ont un jour des fréquences de calcul de plusieurs térahertz sans surchauffer, ou que nos véhicules électriques alimentent nos logis en électricité, il y a de fortes chances pour que le graphène ait quelque chose à voir là-dedans.