Naquadah versus Graphène

Le Naquadah de Stargate, la Carbonite de Starwars, l’Adamantium de X-men, ou encore la Noëlite dans Le voyageur imprudent
Nombreux sont les auteurs de fictions à imaginer des substances quasi-miraculeuses, pour donner vie à leurs univers technologiques ou fantastiques. Bien que l’humanité rêve de disposer un jour de telles substances, comment ne pas voir dans le Naquadah ou l’Adamantium de purs matériaux impossibles ?

Et pourtant, si aucune trouvaille ne se fait sur quelque planète lointaine il se peut fort qu’il en mûrisse dans les labos de nos éminents chercheurs. Les éléments chimiques, les atomes, n’existent qu’en nombre fini, mais nous pouvons composer à l’aide de ces briques élémentaires autant de molécules que la chimie nous le permet. Pourtant jusqu’ici, pas de recette miracle, pas de super composé sorti des chaudrons ?

La science on le sait, n’a pas dit son dernier mot et nous surprend toujours par sa capacité à dépasser ses propres frontières. Non contente d’avoir appris à synthétiser une immense variété de molécules, elle passe aujourd’hui au niveau supérieur, et se dirige vers des techniques permettant de maitriser jusqu’à la disposition spatiale des atomes dans la matière pour inventer ce que la nature ne propose pas. A ces échelles quantiques les propriétés atomiques – par l’intermède des électrons – s’additionnent, se soustraient, en somme se combinent en synergies particulièrement efficaces. Rien de nouveau sous le soleil de la physique me direz-vous, à ceci-près que nous passons du statut de simple observateur à celui de maître dans l’art de bâtir la matière.

La science se dirige vers des techniques permettant de maitriser jusqu’à la disposition spatiale des atomes dans la matière pour inventer ce que la nature ne propose pas.

Alors, choisissant bien la composition et la géométrie de ces constructions atomiques, une synergie « mini » se déploie à l’échelle « maxi ». Voilà qui peut donner à ces matériaux les propriétés les plus adaptées à nos ambitions technologiques. Les scientifiques en herbe auront saisi que nous évoluons ici dans l’univers des nano-sciences.

De la fiction à la réalité

Les super matériaux existent peut-être déjà, tout du moins à l’état d’échantillon de laboratoire et le graphène en est le meilleur exemple. Il a été isolé pour la première fois en 2004 par Andre Geim, qui a reçu pour cette découverte le prix Nobel de physique en 2010 avec Konstantin Novoselov. Autant dire que c’était hier et pourtant ce composé est déjà le fleuron de cette quête vers une nouvelle génération de matériaux.

Cette fine monocouche d’atomes de carbone ne cesse d’alimenter les espoirs tant elle possède de qualités aussi remarquables que diverses. C’est un matériau remarquablement résistant, souple, très conducteur, transparent et très bon conducteur thermique.

Feuille de graphène à l'échelle moléculaire © Alexander Alus

Feuille de graphène à l’échelle moléculaire © Alexander Alus

On lui prédit un avenir lumineux pour la fabrication d’écrans souples, et déjà les fabricants se sont lancés dans la course. De quoi mettre au placard votre tablette dernier-cri. Sa conductivité exceptionnelle et son caractère potentiellement semi-conducteur le destinent à remplacer le silicium des puces électroniques et autres composants avec cette faculté supplémentaire de dissiper très bien la chaleur, limite bien connue des processeurs actuels.

200 fois plus résistant que l’acier et six fois plus léger, ses caractéristiques mécaniques sont également encensées. Le physicien et futurologue américain Michio Kaku sans doute un peu impatient y voit même une solution pour d’hyper-structures telles que l’ascenseur spatial.
Pouvant être mis à profit pour la réalisation de supercondensateurs, le graphène pourrait également donner naissance à une génération de batteries combinant à la fois une recharge extrêmement rapide et une capacité de stockage élevée ; caractéristiques qui n’existent aujourd’hui que séparément. Imaginez qu’il ne vous faille qu’une ou deux minutes pour recharger votre téléphone portable ou votre voiture électrique!

S’il on passe outre la question des possibles impacts environnementaux et sanitaires qu’on est en droit de se poser, la cerise sur ce beau gâteau, est que le graphène est composé exclusivement d’atomes de carbone abondants sur Terre. Composants électroniques, écrans, batteries, structures… de quoi faire un ordinateur 100% carbone ! Nous ne sommes pas loin du super matériau ; Adamantium et autre Naquadah peuvent aller se rhabiller !

Simulation d’une structure tridimensionnelle de carbone composée de piles en nanotubes de carbone dopés à l’azote et de feuilles de graphène : solidité et légèreté !

Simulation d’une structure tridimensionnelle de carbone composée de piles en nanotubes de carbone dopés à l’azote et de feuilles de graphène : solidité et légèreté !

De la paillasse à l’usine

Aujourd’hui, la course au graphène est bel et bien lancée. Les projets de recherche se multiplient tant dans le secteur public que privé. Le projet Graphen est depuis le 28 Janvier 2013 un des deux lauréats du programme européen FET Flagship destiné à booster la recherche et son transfert vers l’industrie dans les secteurs jugés prometteurs avec un dotation totale de 1 milliard d’euros sur 10 ans.

Les défis sont nombreux pour parvenir à concrétiser les espoirs que le matériau suscite. Par exemple, pour être semi-conducteur le graphène nécessite d’être travaillé. De même, ses vertus appliquées aux batteries à supercondensateur ne sont pas si immédiates qu’on pourrait le croire. Il faudra également parvenir à développer des procédés permettant d’en produire en quantités industrielles et réduire ainsi un coût de fabrication encore élevé.

Les futurs écrans souples tactiles en graphène ressembleront peut-être à cela.

Les futurs écrans souples tactiles en graphène ressembleront peut-être à cela.

Un industriel Chinois promet dans les années qui viennent une production annuelle de 300 tonnes. Il n’est pas le seul, on se lance dans l’aventure en Espagne (Graphenano) et aussi en France (Graphene Leader). L’Asie, avec Samsung notamment, est très mobilisée sur les applications et nous devrions voir arriver les premières d’entre elles d’ici à peine deux ans sous forme d’écrans tactiles et flexibles. En ce qui concerne les premières applications dans le domaine des puces électroniques ou les batteries super-condensateur à grande capacité de stockage, il faudra plutôt attendre une dizaine d’année.

Ainsi même s’il est étonnant de constater la rapidité avec laquelle ce composé est en train de passer du stade de la recherche à celui des applications techniques, ces applications se réservent pour le moment à des secteurs bien particuliers, et force est de constater qu’il faut à la recherche le temps d’apprivoiser la bête pour l’améliorer, signe que le graphène n’est pas un miracle fictif mais bel et bien un produit de la science. Qu’il est excitant de voir que nous pouvons encore réaliser de tels bonds technologiques !