Sciences

Le prix Nobel de physique 2010 pour les découvreurs du graphène

ActualitéClassé sous :physique , prix Nobel de physique 2010 , graphène

C'est la physique de la matière condensée qui est à l'honneur cette année avec l'attribution à deux chercheurs d'origine russe du prix Nobel de physique 2010. Découvreurs du graphène, souvent qualifié de « matériau miracle », Andre Geim et Konstantin Novoselov sont tous les deux professeurs à l'université de Manchester (Royaume-Uni).

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

Parmi les pronostics pour le prix Nobel de physique 2010, on attendait les pionniers de la non-localité et de la décohérence parmi lesquels les noms d'Alain Aspect, Serge Haroche et Anton Zurek émergent nettement, ou encore les découvreurs de l'énergie noire : Adam Riess et Saul Perlmutter. La fondation Nobel a finalement choisi de récompenser d'autres candidats fréquemment proposés aussi pour le Nobel de physique, les découvreurs du graphèneAndre Geim et Konstantin Novoselov.

Andre Geim s'était déjà fait un nom en se voyant attribuer le prix IgNobel 2000 pour... avoir fait léviter une grenouille dans un champ magnétique de 16 teslas. Mais ce qui lui vaut le prix Nobel de physique aujourd'hui, c'est son association avec Konstantin Novoselov, d'abord pour l'obtention du graphène en 2004 et ensuite pour une série de travaux portant sur les propriétés remarquables de ce matériau pourtant composé de simples atomes de carbone.

Un matériau qu'on croyait impossible

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 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 Geim et Novoselov 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.


Un cours sur le graphène du prix Nobel de physique 2010 Andre Geim. © Université de Lancaster

En seulement 6 années, les travaux sur les propriétés du graphène ont explosé, tant elles paraissent miraculeuses. Il faut dire aussi que d'autres stars des nanotechnologies, à savoir les nanotubes de carbone et les fullerènes, sont, respectivement, des feuillets de graphène roulés en cylindre et en forme de sphères.

Une illustration des rapports entre graphène, nanotube et fullerène. © Airi Iliste-The Royal Swedish Academy of Sciences

Des applications innombrables mais souvent encore virtuelles

Pourtant, la situation du graphène est quelque peu paradoxale. D'abord parce qu'on commence tout juste à savoir le produire en grande quantité à bas prix (en 2008, la production d'un seul cm2 aurait coûté 100 millions d'euros environ) et enfin parce que beaucoup des applications proposées, comme un séquençage ultrarapide du génome, ne fonctionnent pour le moment que sur le papier.

Il n'en reste pas moins que des travaux en laboratoires 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 peuvent s'y manifester. On peut donc simuler de la physique des particules avec le graphène. Mieux, des connexions, là aussi de nature analogiques et mathématiques, avec des calculs en théorie des cordes, sont étudiées.

À n'en pas douter, la saga du graphène ne fait que commencer !