Isolé au ruban adhésif en 2004, le graphène a tenu ses records de laboratoire, mais pas toutes ses promesses

En octobre 2004, une équipe de l’université de Manchester publiait dans Science la première mesure électrique sur des films de carbone épais de quelques atomes. Six ans plus tard, Andre Geim et Konstantin Novoselov recevaient le prix Nobel de physique. Vingt-deux ans après, le graphène mérite un tri entre propriétés mesurées et formules répétées.

L’article du 22 octobre 2004 dans Science décrivait surtout un effet de champ dans des films de quelques couches

Le texte fondateur s’intitule « Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films ». Il paraît dans le volume 306 de Science, signé par huit auteurs de Manchester et de Tchernogolovka, en Russie. Contrairement à une idée répandue, il porte d’abord sur des empilements de quelques feuillets, dont la conduction varie sous une tension appliquée.

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La méthode, en revanche, tient de l’astuce. Les chercheurs appliquent un ruban adhésif sur du graphite, le replient, puis répètent l’opération jusqu’à obtenir des flocons ultraminces, déposés ensuite sur du silicium oxydé. Ainsi, ce support rend les couches visibles au microscope optique.

Les mesures sur une couche unique arrivent ensuite, notamment dans Nature en novembre 2005. Par conséquent, la démonstration complète s’étale sur plusieurs publications. L’idée du ruban est née lors des « Friday night experiments » de Geim, des essais libres hors programme.

Le comité Nobel a salué en 2010 des expériences décisives sur un matériau bidimensionnel jugé longtemps instable

Le 5 octobre 2010, l’Académie suédoise des sciences récompense les deux physiciens « pour leurs expériences révolutionnaires sur le matériau bidimensionnel graphène ». Novoselov n’a alors que 36 ans. Cependant, l’intérêt dépasse la performance technique : la physique théorique jugeait qu’un cristal strictement plan ne pouvait conserver un ordre stable.

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Le paradoxe se résout en partie en 2007. En effet, des images en microscopie électronique montrent que les feuillets suspendus présentent de légères ondulations, qui les stabilisent. Le graphène n’échappe donc pas aux lois de la thermodynamique, il les contourne en se froissant à l’échelle nanométrique.

Résistance mécanique, chaleur et étanchéité à l’hélium sont mesurées, la comparaison avec le cuivre demande davantage de nuance

En 2008, une équipe de l’université Columbia mesure la résistance intrinsèque d’un feuillet : environ 130 gigapascals, pour un module de Young proche de 1 térapascal. C’est de l’ordre de cent fois les meilleurs aciers. Le chiffre de 200 fois, souvent cité, dépend surtout de la nuance d’acier choisie.

La même année, d’autres travaux confirment qu’une membrane de graphène retient l’hélium et n’absorbe qu’environ 2,3 % de la lumière visible. De plus, la conductivité thermique d’un feuillet suspendu dépasse celle du diamant selon les premières mesures, ensuite revues à la baisse.

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Reste l’électricité. Le communiqué Nobel affirme que le graphène conduit aussi bien que le cuivre. Pourtant, sa force tient surtout à la mobilité des électrons, record dans des feuillets suspendus. Une couche unique, trop mince, transporte bien moins de courant qu’un fil, d’où l’erreur de le présenter comme un simple remplaçant du cuivre.

Vingt ans après, la production de grandes feuilles sans défauts freine encore les écrans, transistors et composites

Dès 2009, le dépôt chimique en phase vapeur sur feuille de cuivre ouvre la voie aux grandes surfaces. Ensuite, l’Union européenne lance en 2013 le Graphene Flagship, doté d’environ un milliard d’euros. Manchester inaugure de son côté son National Graphene Institute en 2015.

Les débouchés réels restent toutefois modestes. Le graphène sert surtout d’additif dans des composites, des encres conductrices ou des revêtements. Surtout, le transistor au graphène bute sur l’absence de bande interdite, qui empêche de l’éteindre franchement. Le matériau a donc tenu ses records, sans encore bouleverser l’électronique promise en 2010.

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