Le graphène, vingt ans après : promesses tenues et promesses en attente
Une feuille de carbone d'un seul atome d'épaisseur, isolée en 2004 avec du ruban adhésif, a valu un prix Nobel et suscité d'immenses espoirs. Que reste-t-il de la révolution annoncée ?
Le carbone de la mine d'un crayon, le graphite, est un empilement de feuillets d'atomes disposés en nid d'abeilles. En écrivant, on en détache des milliers de couches. Pendant longtemps, beaucoup de physiciens ont douté qu'on puisse isoler une seule de ces couches et qu'elle reste stable. En 2004, à l'université de Manchester, Andre Geim et Konstantin Novoselov y parviennent avec un outil inattendu : du ruban adhésif, qu'ils collent et décollent sur du graphite jusqu'à obtenir des feuillets d'un seul atome d'épaisseur. Ce matériau, c'est le graphène.
Un Nobel en six ans
Leur article, publié dans Science en 2004, montre que ce feuillet conduit l'électricité et que l'on peut moduler ce courant avec une tension électrique, comme dans un transistor. Le graphène avait été décrit en théorie dès 1947, mais personne ne l'avait encore isolé et étudié ainsi. La reconnaissance est fulgurante : en 2010, Geim et Novoselov reçoivent le prix Nobel de physique « pour des expériences révolutionnaires sur le matériau bidimensionnel graphène ». Novoselov a alors 35 ans, ce qui fait de lui le plus jeune lauréat en physique depuis 1973.
Des propriétés hors normes
Sur le papier, le graphène accumule les records. Sa résistance à la traction est estimée à environ 130 gigapascals, plus de soixante-dix fois celle d'une corde à piano en acier, et sa rigidité approche celle du diamant. Il conduit la chaleur mieux que le cuivre et transporte les électrons avec une facilité remarquable. Il est presque transparent, puisqu'une couche n'absorbe qu'environ 2,3 % de la lumière visible, tout en étant imperméable aux gaz. Le tout dans une feuille d'un atome d'épaisseur.
Il faut cependant garder en tête une nuance importante : ces chiffres valent pour des échantillons parfaits et minuscules, de quelques micromètres. Un matériau réel contient des défauts, des joints entre grains, des plis. Passer du laboratoire à des mètres carrés de graphène de qualité, à un prix raisonnable, reste le défi central.
Les promesses qui attendent encore
Au début des années 2010, on annonçait des processeurs en graphène plus rapides que le silicium. Or le graphène n'a pas de bande interdite : contrairement à un semi-conducteur, il ne sait pas vraiment « s'éteindre », ce qui est rédhibitoire pour un transistor logique. On peut en ouvrir une artificiellement, mais au prix d'une partie de ses qualités. Les écrans souples et les batteries révolutionnaires ont, eux aussi, mis plus de temps que prévu à venir, et le mot « graphène » a parfois servi d'argument de vente pour des produits qui n'en contenaient qu'un peu.
Le bilan n'est pas un échec pour autant. Le graphène a ouvert la voie à toute une famille de matériaux bidimensionnels : le nitrure de bore hexagonal, isolant, ou le disulfure de molybdène, un vrai semi-conducteur. Empilés comme des briques, ils permettent de fabriquer des structures entièrement nouvelles, qui font l'objet d'une recherche très active.
Et sur Terre ?
Les applications réelles sont souvent moins spectaculaires que prévu, mais elles existent. Mélangé en faible quantité à des plastiques, du béton ou des résines, le graphène renforce des articles de sport, des pièces automobiles ou des revêtements anticorrosion. Sous forme de films, il aide à évacuer la chaleur dans certains appareils électroniques. On l'utilise dans des encres conductrices, des capteurs et des membranes de filtration. Selon les chiffres repris par Wikipédia, le marché mondial serait passé d'environ 9 millions de dollars en 2012 à près de 380 millions en 2022 : une croissance réelle, mais loin des milliards annoncés.
L'Europe a beaucoup misé sur ce matériau. Lancé en 2013, le programme Graphene Flagship a mobilisé environ un milliard d'euros sur dix ans pour fédérer de nombreuses équipes universitaires et industrielles, du laboratoire jusqu'aux premières lignes de production.
Et vers les étoiles ?
Une variante, l'oxyde de graphène, forme des membranes dont les canaux laissent passer l'eau tout en retenant les sels. Anthropolaris s'y intéresse pour alléger les systèmes de recyclage de l'eau des vaisseaux et habitats de longue durée, avec à la clé des membranes de dessalement plus sélectives et moins sujettes à l'encrassement (voir la marche J-CRW-07). Vingt ans après le ruban adhésif, l'histoire du graphène rappelle qu'entre une découverte et un usage, il faut souvent une génération : les retombées les plus importantes viendront peut-être des matériaux qu'il a fait découvrir.