Propriétés physico-chimiques et applications

Le graphène monofeuillet est le premier matériau à deux dimensions et donc le plus fin jamais synthétisé. L’épaisseur monoatomique du graphène le rend non seulement transparent, mais flexible. Il peut ainsi être intégré dans tous les autres types de matériaux sans en altérer la couleur, mais également prendre toutes les formes souhaitées. Le graphène peut alors être à l’origine de la création de nouveaux matériaux inédits, créés sur demande en fonction de l’application voulue. La morphologie et la structure du graphène ouvrent de nouvelles perspectives dans une multitude de secteurs d’activités (Banks et al., 2004; Zhu et al., 2010; Zurutuza and Marinelli, 2014). Du fait de sa découverte tardive, le graphène n’est encore qu’au début de ses potentielles utilisations. Ainsi, les prévisions du marché des produits à base de graphène annoncent une valeur de 675 millions de dollars d’ici 2020 (Ahmed and Rodrigues, 2013).

Chaque atome de carbone composant les feuillets du graphène présente une orbitale π contribuant à la formation d’un réseau d’électrons libres. Novoselov et ses collaborateurs (2005) ont ainsi mis en évidence que les atomes de carbone des feuillets de graphène présentent des particules de types fermion de Dirac (toutes les particules chargées comme les électrons ou les positrons). Ces éléments ne présentent quasiment aucune masse facilitant ainsi leur mobilité à la surface des feuillets de carbone. Une faible énergie thermique, appelée bruit thermique de Johnson, est libérée lors du déplacement des électrons, capacité s’ajoutant ainsi à la liste des propriétés exceptionnelles du graphène (Zhang et al., 2005). Ces transports d’électrons améliorés sont alors à l’origine des effets quantiques, comme l’effet quantique de Hall6, traduisant une bonne qualité électronique (Ribeiro-Palau et al., 2015). Ces propriétés

6 _{L’Effet de Hall quantique est un phénomène connu dans le domaine de l’électromagnétismes selon lequel}

« un courant électrique traversant un matériau baignant dans un champ magnétique, engendre une tension perpendiculaire à ce dernier ».

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électriques peuvent varier en fonction de la température et de la pression subies par les nanoparticules de graphène (Novoselov et al., 2007). Le graphène présente également une conductivité thermique proche de celle du diamant, qui est la plus élevée de tous les matériaux connus à ce jour. L’ensemble de ces propriétés confèrent ainsi au graphène une capacité de transport électronique sans précédent exploitée dans de nombreuse applications à grande échelle, notamment dans la production de super-condensateurs (Brownson et al., 2011). Il est maintenant possible d’envisager son utilisation dans divers domaines, mais surtout dans le domaine des composants électroniques flexibles qui recourt à des nanotechnologies de plus en plus poussées. Les feuillets de graphène sont alors utilisés dans la production de transistors optimisés, en diminuant la taille des composants tout en augmentant leur conductivité électrique (Zhu et al., 2010). Des recherches théoriques et expérimentales ont pu mettre en évidence les avantages de l’utilisation des monofeuillets de graphène dans la production de capteurs. En effet, grâce à sa conductance, sa grande surface spécifique ainsi que le faible bruit de Johnson généré, le graphène monofeuillet est considéré comme un élément prometteur dans la détection de molécules variées, comme les gaz ou les biomolécules (protéines et ADN) (Mohanty and Berry, 2008; Ohno et al., 2009). Un transfert de charge entre les molécules adsorbées et le graphène, en tant que donneur ou accepteur d’électrons, serait alors à l’origine de la réponse chimique à l’origine de ce phénomène modifiant les caractéristiques électriques du graphène. Le graphène pourrait également rentrer dans la composition d’électrodes utilisées dans les dispositifs de stockage d’énergie (Winter et al., 1998). Il a donc un potentiel non négligeable dans la production de batteries rechargeables, grâce à sa capacité de liaison aux ions lithium, comme les batteries de portable ou les voitures hybrides (Brownson et al., 2011; Wu et al., 2010). Tous les produits électroniques pourront ainsi bénéficier d’améliorations inédites grâce à l’intégration du graphène dans des composants de nombreux produits du quotidien, comme les moyens de communication mais également les moyens de transport.

Les propriétés optiques du graphène résultent de sa structure, mais également de ses propriétés électroniques. La transmission de la lumière du domaine du visible laisse apparaître le graphène transparent. Cette transparence décroit cependant avec l’épaisseur du graphène. Cette propriété ouvre d’autres possibilités d’application du graphène, notamment de sa forme oxydée. Il peut ainsi être utilisé dans la production de films conducteurs transparents. Une méthode de fabrication du graphène et du graphène oxydé réduit a ainsi été développée à partir de ces films conducteurs (Park and Ruoff, 2009). Ces matériaux pourront également

29 entrer dans la composition de produits commercialisés à grande échelle, comme la production d’électrodes de panneaux solaires (Wang et al., 2008), ou encore les dispositifs à cristaux liquides, composants cruciaux des technologies actuelles (Blake et al., 2008). Les propriétés dérivées comme l’absorption des ultra-violets (UV) ou encore la fluorescence font du graphène un matériau prometteur pour la production de biocapteurs utilisés dans les thérapies cancéreuses (Chung et al., 2013; Feng and Liu, 2011). Le secteur biomédical représente donc une perspective offrant de multiples applications pour les nanoparticules de la famille du graphène (Shen et al., 2012).

Malgré le fait que ce soit un des matériaux les plus légers, en terme de densité, produits jusqu’à ce jour, le graphène présente une résistance mécanique impressionnante, près de 10 fois supérieure à celle de l’acier (Geim, 2009; Wu and Drzal, 2012). Face à un matériau comme le diamant, le graphène monofeuillet présente une capacité de résistance intrinsèque plus importante, tout en gardant une certaine flexibilité (Lee et al., 2008). Cette propriété est utilisée dans la production de matériau spécifique comme des raquettes de tennis ou encore des textiles ultra résistants aux chocs.