Une excursion dans la plaine de carbone
2009/01/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria
Le graphite est utilisé pour nuire aux arcs. En fait, le crayon laisse une ligne noire sur le papier, car il libère de petits fragments du graphite avec d'autres composants. Ces parties ne sont pas des fragments complets de graphite, mais des groupes de plans atomiques. C'est parce que l'union entre les atomes de carbone présents sur le même plan est très forte, tandis que l'union entre les plans est très faible.
Il n'est pas possible de séparer un de ces plans avec un crayon, mais si l'on pouvait diviser le résultat serait le graphène, une des étoiles de la science des matériaux actuels. Andre Geim et Philip Kim ont été les physiciens américains de l'Université de Columbia qui ont isolé pour la première fois en 2004. En réalité, les physiciens ont profité de l'idée du crayon. Et ils continuent à profiter de cette idée.
Quelque chose de semblable se fait; au lieu de passer le crayon au-dessus du papier, ils frottent un morceau de graphite microscopique contre une feuille de silicium. Cela ne libère pas non plus un seul plan des atomes de carbone, mais une fraction d'environ 100 plans d'épaisseur. A partir de ce moment, ils utilisent du ruban adhésif. Collent par les deux faces sur un petit morceau qu'ils ont obtenu et jettent à la main. Ce faisant encore et encore, ils finissent par obtenir des fragments d'un seul plan. Obtention de graphène. Ce n'est pas un processus très technologique. L'Université de Columbia a payé 10 dollars pour ce travail à un stagiaire.
Électrons libres
En isolant un plan unique, les physiciens s'éblouissent. Les atomes de ce plan ne doivent plus partager des électrons avec les atomes d'un autre plan, ce qui change radicalement la situation. Dans l'état formé par deux plans, quelques électrons se déplaçaient librement par la fente entre les deux plans, mais pas très vite. Le courant électrique était facilement généré, mais avec une certaine résistance. Dans l'état d'un seul plan, au contraire, les électrons se déplacent rapidement sur le plan – et en dessous –, pratiquement sans obstacles.
Ils se déplacent beaucoup plus vite que dans un métal. Certains physiciens affirment qu'ils arrivent à bouger 400 fois plus lentement que la vitesse de la lumière; si cela est vrai, la vitesse est très rapide, remarquable par l'effet de la relativité. Bien que la donnée ne soit pas exacte, ce sont des électrons très rapides.
Cela fait penser que le graphène est un grand conducteur électrique comme un métal. La vérité est que dans certains cas, il peut se comporter comme un métal, mais en général il est un semi-conducteur et très bon semi-conducteur.
Expliqué très simplement, dans un matériau, plus la température est basse, moins les noyaux des atomes vibrent. Et ils sont moins d'obstacles pour les électrons en mouvement, le courant électrique. Par conséquent, les conducteurs conduisent une meilleure électricité à froid que s'ils sont chauffés. Cependant, dans le graphène il n'y a guère de différences et a les mêmes propriétés électriques qu'à froid à température ambiante.
En outre, ses dimensions sont très petites (épaisseur d'un atome, longueur et largeur de tant d'atomes que vous le souhaitez), ce qui semble être un matériau approprié pour l'élaboration de transistors nanoscopiques. De nombreux experts estiment qu'à un moment donné, il a de nombreuses chances d'être un substitut au silicium.
Il a d'autres propriétés électriques spéciales. Par exemple, ils soulignent souvent l'effet quantique Hall, qui apparaît dans le graphène à température ambiante et non dans d'autres matériaux. Cet effet est lié à l'interaction entre le matériau et les champs magnétiques et peut être pertinent dans les applications électroniques de graphène.
Fabrication en série
Bien sûr, le graphène sera utile dans l'industrie de la microélectronique si, entre autres, on invente une technique de fabrication en série. La méthode du ruban adhésif est utile pour les besoins d'un laboratoire de recherche, mais pas pour l'obtention de grandes quantités.
Il existe différentes propositions pour la production de masse du graphène. Récemment, par exemple, des experts de l'Université UCLA de Californie ont développé une technique. L'idée est simple : rouiller le graphite puis le réduire. Il s'agit apparemment de deux réactions chimiques opposées, de sorte que la logique indique qu'une fois les deux produits, le graphite initial serait récupéré. Et cela ne se passe pas. L'oxydation consiste en l'insertion d'atomes d'oxygène entre les plans du graphite et la libération de feuilles de graphène après sa réduction. Selon les chercheurs, en outre, ce qui est obtenu est un graphène de très haute conductivité.
Un autre avantage de cette technique est que le graphène oxydé résultant de la première réaction présente des propriétés très intéressantes puisque son comportement électrique dépend de la quantité d'oxygène que le matériau a reçu. En définitive, outre le graphène, les dérivés du graphène sont de nouveaux matériaux intéressants.
La plus dure du monde
La conductivité électrique n'est pas la seule propriété recherchée par les physiciens. En outre, mille autres caractéristiques sont demandées à un nouveau matériel. Et aussi de ce point de vue, le graphène est un matériau unique.
C'est le matériau le plus dur au monde, plus dur que le diamant lui-même. En fait, à l'Université de Columbia, où il a payé les boursiers pour l'extraction manuelle de graphène, ils ont mesuré la dureté du graphène et pour cela ont dû utiliser le diamant lui-même. Un trou dans une surface de silicium est couvert par une molécule parfaite de graphène. Et cette molécule parfaite est poussée avec une pointe de diamant très pointu, de haut en bas, jusqu'à ce que le graphène se casse.
Les chercheurs ont expliqué le résultat de l'expérience par une comparaison. Imaginez que le trou de la surface de silicium est comme une tasse de café. Il est recouvert d'un plastique et tente de percer avec un crayon tranchant. L'objectif de l'expérience est de mesurer la force nécessaire pour percer le plastique. Le remplacement du plastique par le graphène, malgré le poids d'une voiture sur le crayon, ne conduirait ni à la distorsion de celui-ci.
Encore plus
En plus de résistant, fin et excellent conducteur électrique, le graphène conduit très bien la chaleur. C'était suspect dès le début, puisque les nanotubes transmettent également très bien la chaleur et, en définitive, c'est le même matériel. Cependant, il a été très difficile de mesurer, car il n'est pas facile de mettre en contact les feuilles de graphène avec un réchauffeur. Enfin, certains physiciens de l'Université de Californie-Riverside ont réussi à chauffer le graphène avec un laser et ont mesuré une conductivité surprenante, 50% supérieure aux nanotubes et 10 fois supérieure au cuivre et aux autres métaux.
En outre, il possède les propriétés optiques appropriées pour la réalisation d'écrans à cristaux liquides, par exemple. Deux lames de graphène peuvent être utilisées pour intercaler un autre matériau et fabriquer un verre liquide. Comme le graphène a une épaisseur d'un seul atome, on peut construire des écrans très fins.
Apps
Beaucoup de choses peuvent être faites avec le graphène (surtout si, comme nous l'avons dit, ils réussissent à le fabriquer en série). Mais toutes ces applications n'ont pas encore été développées. Et pour cela, le nouveau monde du graphène est juste un rêve. Mais quatre ans seulement ont passé depuis que l'équipe du physicien Geim a isolé pour la première fois le graphène. Il faudra démontrer les capacités réelles du graphène.
Cependant, les scientifiques sont prêts à tester de nouvelles applications. Et pas seulement physique, l'un des exemples les plus étonnants est la lecture de la séquence de la molécule d'ADN. Il s'agit de faire passer la chaîne ADN par une fente entre deux feuilles de graphène et générer un courant électrique dans le graphène. Le courant électrique saute aux bases d'ADN par un effet tunnel, mais chaque base a besoin d'une certaine quantité d'énergie pour que cet effet tunnel se produise.
Cela signifie que selon l'énergie dont le graphène a besoin pour sauter le courant d'une feuille à la molécule d'ADN et de là à la deuxième feuille, on peut connaître la base proche du graphène. Avec cette méthode, et en déplaçant la molécule d'ADN dans la fente, vous pouvez connaître la séquence de base de l'ADN. Et, selon les experts, l'utilisation du graphène permet de lire les séquences plus vite que d'autres méthodes.
Les idées d'applications possibles se multiplient rapidement. C'est pourquoi les physiciens croient que le graphène va supposer une révolution. Et la meilleure chose est que ce n'est pas un nouveau matériau, était là, caché dans le graphite. Seule l'extraction manquait. Et maintenant nous avons arraché le graphène. Pour voir ce que nous faisons à partir de maintenant.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
