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Bientôt du graphène en masse pour les nanotechnologies ?

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Par Laurent Sacco, Futura

Le graphène est l'un des matériaux les plus prometteurs pour les nanotechnologies. Mais il est très difficile de le produire en grandes quantités, ce qui freine considérablement son utilisation, au laboratoire et plus encore dans l'industrie. Un nouveau procédé, utilisant l'hydrazine, risque fort de changer la donne...

En haut, une feuille de graphène produite avec l'hydrazine vue au microscope à force atomique (ou AFM pour atomic force microscope). En bas, la même feuille examinée avec un microscope électronique à balayage. Crédit : Vincent Tung, Matthew Allen, Adam Stieg

Les miracles attribués au graphène par les physiciens et les chimistes spécialistes des nanosciences sont presque innombrables. Constitué d'une seule couche d'atomes de carbone assemblés selon un réseau régulier, ce matériau est le plus résistant au monde et ses excellentes propriétés conductrices font de lui le successeur potentiel du silicium, en particulier pour une nanoélectronique. Enroulé sur lui-même le graphène peut se transformer en nanotubes de carbone ou en fullerènes, eux aussi porteurs d'espoirs très variés, de l'ascenseur spatial au traitement de certains cancers.

Malheureusement, contrairement aux fullerènes et aux nanotubes dont les processus de fabrication en quantités importantes sont connus, il n'existait en gros jusqu'à présent que deux méthodes, peu efficaces, pour obtenir des feuilles de graphène.

La première est un épluchage du graphite (graphène exfolié), qui est en fait un empilement de feuilles de graphène. Mais le rendement est faible et les feuilles obtenues doivent subir une série de tests pour s'assurer qu'elles sont bien d'une seule épaisseur atomique. La seconde méthode, dite de réduction, consiste à chauffer du carbure de silicium à haute température (1.100°C) pour le réduire (graphène epitaxié). Ce procédé produit des échantillons de petite taille et il est peu probable qu'il soit compatible avec les techniques de fabrication pour la plupart des applications en électronique.

Molécule de graphène C62H20. Crédit : Chris Ewels

Réduction à l'hydrazine

La situation vient de changer radicalement. Une équipe de chercheurs américains avec à sa tête Yang Yang, un professeur de science et génie des matériaux à l'UCLA Henry Samueli School of Engineering, et Richard Kaner, un professeur de chimie et la biochimie de l'UCLA, a découvert que placer du papier d'oxyde de graphite dans une solution d'hydrazine pure (un composé chimique de l'azote et hydrogène de formule NH2-NH2), réduit l'oxyde de graphite en feuilles de graphène.

En soi, la méthode avait déjà été étudiée auparavant mais c'est la première fois que l'on utilise comme solvant l'hydrazine. Non seulement le graphène ainsi produit a de meileurs capacités conductrices, près de trois ordres de grandeur plus élevées qu'avec les précédentes méthodes de synthèse chimique, mais l'on obtient aussi les feuilles de graphène les plus larges à ce jour, 20 micromètres par 40 micromètres environ.

« Cette découverte représente l'avenir des recherches sur le graphène en nanoélectronique » affirme Vincent Tung, un thésard de Yang co-auteur de la publication dans Nature Nanotechnology. Elle pourrait même, probablement, avoir d'autres applications, puisque, par exemple, des feuilles de graphène pourraient servir à séquencer l'ADN.

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