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Graphène

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Comme son nom l’indique, le graphène s’obtient à partir du graphite et il s’agit d’un simple feuillet en deux dimensions, composé d’atomes de carbone arrangés selon un motif hexagonal. Avec leur épaisseur d’un seul atome de carbone, on pensait que de tels feuillets, qui forment par leur empilement le graphite de nos mines de crayon, étaient physiquement impossibles. Un tel matériau contredisait en apparence un résultat mathématique en physique du solide connu sous le nom de théorème de Mermin-Wagner. Ce dernier était une formulation précise d’un argument (étroitement lié aux notions de symétries brisées) donné par un autre prix Nobel de physique, Lev Landau, « démontrant » l’impossibilité d’un réseau cristallin à deux dimensions.

Pourtant, l’obstination de Andre Geim et Konstantin Novoselov, deux physiciens qui auront le prix Nobel 2010 pour leur découverte, a fini par porter ses fruits lorsque les deux chercheurs ont bel et bien isolé des feuillets de graphène en 2004. Rétrospectivement, on sait que ce théorème d’impossibilité (no go theorem en anglais) ne s’applique pas si le réseau est parcouru d’ondulations.

Le graphène, un matériau miracle

Des travaux en laboratoire montrent que des transistors en graphène sont potentiellement capables de détrôner les transistors en silicium, ouvrant la voie à des ordinateurs plus performants car plus rapides et plus petits. Étant pratiquement transparent et aussi bon conducteur que le cuivre, le graphène peut servir à réaliser des écrans tactiles, des panneaux lumineux et probablement des cellules solaires.

On s’attend aussi, lorsque seulement 1 % de graphène est mélangé à de la matière plastique, à ce qu’il la rende électriquement conductrice. Sa résistance thermique devrait augmenter de 30 ˚C, ainsi que sa résistance mécanique (on sait que le graphène lui-même est 200 fois plus résistant que l’acier à la traction). D’intéressants matériaux composites au graphène devraient apparaître dans un avenir proche, avec des applications dans les satellites, les avions et les voitures.

D'un point de vue plus théorique, la mécanique quantique a son mot à dire. En effet, bien que les électrons se déplacent dans le graphène 300 fois plus lentement que la lumière, les conditions auxquelles ils sont soumis imposent de les décrire mathématiquement par l'équation de Dirac, comme pour une particule relativiste presque sans masse ! Il en résulte que l'analogue de certains phénomènes ordinairement rencontrés en théorie quantique des champs relativistes peut s'y manifester. On peut donc simuler de la physique des particules avec le graphène. Mieux, des connexions, là aussi de nature analogique et mathématique, avec des calculs en théorie des cordes, sont étudiées.

La structure 2D d'un feuillet de graphène. © Jannik Meyer La structure 2D d'un feuillet de graphène. © Jannik Meyer

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