Gerhard BAUHUIS
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La Commission européenne a lancé une nouvelle initiative intitulée « Projet phare Graphène » dont le but est de concrétiser l'exploitation du graphène d'ici 2020, depuis le développement en laboratoire jusqu'à la mise sur le marché (à destination du consommateur).

Qu'est-ce que le graphène ?

Le graphène peut être classé en 3 types : le graphène monocouche, bicouche et multicouche.

  • Le graphène monocouche constitue la forme la plus pure et présente des propriétés particulières, qui en font un matériau attractif pour un grand nombre d'applications.
  • Les graphènes bi- et multicouche disposent pour leur part d'autres propriétés (moins qualitatives). Plus le nombre de couches augmente, moins il est coûteux à produire.

Dans ce post, je me limiterai au graphène monocouche car il reste la forme de ce matériau ayant à ce jour débouché sur les meilleurs résultats d'étude.

Le graphène est le premier matériau en 2D au monde, composé d'une unique couche d'atomes de carbone, tels qu'on en retrouve dans le diamant ou les pointes de crayon. Les atomes de carbone du graphène sont ordonnés en hexagones (structure en nid d'abeilles ou en treillis). Cette particularité confère au graphène monocouche les propriétés suivantes :

  • 200 fois plus solide que l'acier
  • 1 000 000 de fois plus fin qu'un cheveu humain
  • Le matériau le plus léger au monde (1 m² pèse environ 0,77 mg)
  • Souple
  • Transparent
  • Imperméable aux molécules d'eau
  • Une conductivité électrique et thermique particulièrement bonne

Le graphène peut également être combiné à d'autres matières, telles que des gaz et des métaux, afin de produire de nouveaux matériaux présentant les propriétés précitées, ou d'améliorer des matériaux existants.

Modelestructuregraphene

La production de graphène

À l'heure actuelle, on ne dispose encore d'aucune méthode pour produire du graphène à grande échelle, à un coût acceptable. Des études sont encore menées dans ce sens.

Le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PE-CVD)

Il existe différentes méthodes pour produire du graphène. L'une des plus connues, utilisée pour produire du graphène monocouche, est celle du dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PE-CVD).

Selon ce procédé, un mélange de gaz, dont au moins un est composé de carbone, est chauffé jusqu'à obtention de plasma. Des débitmètres massiques et régulateurs de débit massique sont utilisés au cours du processus de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) afin de doser les gaz et liquides nécessaires dans les bonnes proportions.

La méthode du PE-CVD permet, grâce au plasma, de déposer une couche de graphène sur un substrat de nickel ou de cuivre. L'étape de chauffe peut avoir lieu dans un espace sous vide. Il existe également des méthodes de productions CVD dites « vertes », où la matière est chauffée dans un environnement sous pression atmosphérique. En recourant au dépôt chimique en phase vapeur, on parvient à produire de plus grandes feuilles de graphène.

Certaines matières premières utilisées le sont à l'état liquide, de sorte qu'elles doivent premièrement être évaporées afin de pouvoir être intégrées au procédé de CVD sous forme gazeuse. Pour garantir le succès de la méthode de dépôt chimique en phase vapeur (assisté par plasma), ou PE-CVD, il est essentiel que le plasma soit composé dans les bonnes proportions et avec grande précision, à l'aide d'instruments de mesure de débit extrêmement précis. Une seule erreur dans le plasma peut faire apparaitre des défauts dans la feuille de graphène : ces impuretés dans la structure en 2D du graphène peuvent altérer les propriétés uniques du produit.

Production à grande échelle de graphène à partir de techniques recourant au plasma

Récemment, notre distributeur espagnol Iberfluid Instruments S.A. a participé à une étude de l'université de Cordoue portant sur les possibilités de production à grande échelle de graphène en recourant à une méthode de plasma sous pression atmosphérique. Dans le cadre de ce procédé, de l'éthanol est évaporé à l'aide du système d'évaporation de Bronkhorst, ou système CEM (Contrôle - Évaporation - Mélange), en vue de la formation de plasma.

Le recours au système d'évaporation permet d'évaporer directement les liquides et de créer ainsi le gaz nécessaire au plasma. Un système complet peut se composer d'un CEM avec un débitmètre pour liquide Bronkhorst (par ex. un débitmètre massique à effet Coriolis de la série mini CORI-FLOW) pour l'éthanol, un régulateur pour gaz (par ex. un régulateur de débit massique EL-FLOW) pour l'argon utilisé comme gaz vecteur, et une vanne couplée à un échangeur thermique.

Un système d'évaporation tel que le système CEM de Bronkhorst produit de bons résultats en termes de stabilité et de précision, débouchant sur un plasma fiable et à la clé, un graphène de meilleure qualité.

Système CEM Bronkhorst-Université de Cordoue

Le système CEM de Bronkhorst utilisé pour l'étude menée à l'université de Cordoue

Dans le document de recherche intitulé "Scalable graphene production from ethanol decomposition by microwave argon plasma torch", on peut lire pourquoi l'Université de Cordoue (ES) a fait le choix d'appliquer le système d'évaporation CEM de Bronkhorst dans un procédé de production de graphène par PE-CVD.

Domaines d'application du graphène

Au vu des propriétés uniques du graphène, des études sont actuellement menées dans de nombreux domaines d'application différents, en particulier pour les graphènes mono- et bicouche. À l'heure actuelle, il semblerait que le graphène monocouche offre les meilleurs résultats. La recherche se penche également sur le potentiel de flocons, de petites particules de graphène pouvant être mélangées à d'autres matériaux tels que des polymères, en vue d'en améliorer les propriétés. Les qualités particulières du graphène monocouche ouvrent dans tous les cas la voie à de nombreuses applications possibles, dans divers secteurs industriels, dont voici quelques exemples :

  1. Épuration d'eau : Les scientifiques étudient actuellement la confection d'un système de filtration avancé à base d'oxyde de graphène qui permettrait de purifier l'eau souillée pour la rendre potable.

  2. Secteur médical : Étant donné que le graphène n'est pas toxique pour le corps, on analyse les possibilités de l'utiliser pour le transport de substances médicamenteuses dans le corps humain, en fixant le médicament au graphène. Le graphène présente en outre la propriété de prévenir la formation de bactéries, ce qui permettrait de l'utiliser comme matériau de revêtement d'implants.

  3. Secteur énergétique : Grâce à une superficie étendue et à son excellente conduction électrique, le graphène pourrait être utilisé à des fins de stockage d'énergie. L'objectif est de créer des batteries en graphène beaucoup plus compactes, à la capacité accrue et entièrement chargées en l'espace de quelques secondes.

  4. Industrie textile : Le graphène pourrait être utilisé pour intégrer des éléments électroniques dans les textiles, tels que des capteurs efficaces, performants et extrêmement précis. Du reste, le graphène pourrait permettre la confection de revêtements de protection anticorrosion et d'encres conductrices.

  5. Industrie des semiconducteurs : Grâce à la bonne conduction électrique et thermique du graphène, ce matériau offre de nouvelles possibilités pour accroître la vitesse de fonctionnement et la capacité des puces (d'ordinateurs et de smartphones).

Nous continuons de suivre de près les développements concernant le graphène et ne manquerons pas de vous tenir informés sur le sujet !

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