Graphène et phosphorène

Voilà presque dix ans, Andre Geim et Konstantin Novoselov faisaient la découverte du graphène, un cristal bidimensionnel de carbone dont l'empilement constitue le graphite. Un groupe de chercheurs vient d'annoncer qu'un matériau similaire peut être obtenu avec du phosphore : phosphorène. Il pourrait, comme le graphène, remplacer le silicium dans des puces électroniques.

La structure 2D en nid d'abeille d'un feuillet de graphène explique en partie ses extraordinaires propriétés :
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Le graphène va sans doute commencer par changer la face de nos smartphones grâce à ses surprenantes propriétés. « Ce n’est ni un métal ni un semi-conducteur. Nous avons la liberté de lui donner les propriétés que l’on veut », observe Laetitia Marty, chargée de recherche CNRS à l’Institut Néel2. En particulier, la possibilité d’obtenir une surface transparente, flexible et conductrice ouvre la voie à l’électronique souple. Nous toucherons donc sans doute bientôt le graphène du doigt quand il recouvrira les écrans des téléphones portables et des tablettes. Il possède toutes les qualités pour remplacer l’oxyde d’indium-étain utilisé aujourd’hui, qui est rare, cher, cassant et toxique. De plus, il résiste au traitement chimique et se connecte électriquement plus facilement que les matériaux concurrents.

Cette technologie servira aussi aux LED organiques (OLED), ces diodes électroluminescentes dont l’avenir est prometteur, et peut-être même au secteur textile. Des encres conductrices à base de graphène existent en effet déjà et pourraient être utilisées pour imprimer des circuits électriques sur les tissus.

« Il correspond aux hautes fréquences, au-delà du gigahertz (GHz), et concerne les applications sans fil, les télécommunications, le numérique haut débit, les communications satellites, les radars courte et longue portées et, enfin, le domaine térahertz avec, par exemple, la photodétection pour l’astrophysique », énumère Bernard Plaçais.

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Le graphène possède de remarquables propriétés de conduction, et les électrons y circulent plus rapidement que dans le silicium. Toutefois, il a un inconvénient : ce n’est pas naturellement un semi-conducteur. On ne peut donc pas l’utiliser directement pour fabriquer des transistors et des circuits logiques.

L’idée était donc de chercher des matériaux pouvant exister facilement sous forme de feuillets atomiques 2D avec une structure similaire au graphène, mais qui, tout en conduisant plus rapidement les électrons que le silicium, seraient aussi des semi-conducteurs.

Peide Ye et ses collègues de l’université Purdue (Indiana, États-Unis) viennent précisément de découvrir un tel matériau : le phosphore noir (une des formes allotropiques du phosphore). Il s'obtient en chauffant du phosphore blanc sous haute pression.

Les physiciens se sont demandé s’il était possible d’obtenir à partir de ce phosphore noir des feuillets 2D isolés, comme c’est le cas avec des feuillets de graphène à partir du graphite. À l’instar de la découverte du graphène, il leur a suffi d’utiliser du ruban adhésif pour exfolier des blocs de phosphore noir. Les chercheurs n’ont pas tardé à réaliser des transistors avec ce qu’ils appellent du phosphorène.

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Il est encore trop tôt pour savoir si le silicium sera détrôné par le phosphorène ou par le graphène. L’une des raisons en est qu’on ne sait pas encore si on pourra produire du phosphorène en masse et à bas coût.

3 nouvelles utilisation potentielle du graphène :

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Détecter une molécule parmi un milliard

Feuillet aussi fin qu’un atome, le graphène offre une large surface de contact. Il est donc très efficace pour détecter la présence des gaz. De plus, il a une très grande conductivité électrique. Grâce à la combinaison de ces propriétés, un détecteur en graphène réagit ainsi à la présence d’une seule molécule de gaz polluants parmi un milliard d’autres. « D’autres techniques sont encore plus sensibles. Mais le véritable avantage des capteurs à base de graphène est qu’ils fonctionnent à température ambiante et qu’ils peuvent être portables », détaille Yann Battie, du laboratoire LCP-A2MC de l’université de Lorraine.

Cela permet d’envisager des utilisations en plein air pour mesurer la pollution urbaine ou dans l’aéronautique pour analyser les polluants directement en sortie des turbines d’avion. Les militaires s’y intéressent aussi de près pour la détection d’agents neurotoxiques. Les détecteurs à base de graphène, en phase de développement au LCP-A2MC et à l’Onera, pourraient être commercialisés d’ici à dix ans. Ils pourraient également être utilisés en médecine, où l’analyse de l’air expiré permet le diagnostic de certaines maladies comme le cancer des poumons.

Vers des thérapies ciblées

Le domaine biomédical est d’ailleurs un vaste champ d’applications potentielles du graphène. Il pourrait servir dans les thérapies contre le cancer. « Le graphène possède la faculté de s’accumuler dans les tumeurs », explique Alberto Bianco, de l’unité CNRS Immunopathologie et chimie thérapeutique. Bien que les scientifiques ne comprennent pas encore exactement l’origine de cette propriété, ils espèrent s’en servir pour cibler les cellules cancéreuses. Greffer des nanoparticules d’or sur du graphène permettrait, par exemple, de rendre les cellules cancéreuses visibles par imagerie photoacoustique. De plus, quand elles reçoivent de la lumière, ces nanoparticules peuvent chauffer suffisamment pour détruire la cellule malade, et pas ses voisines. Les scientifiques auraient donc à leur disposition un outil capable de diagnostiquer et de soigner simultanément.

Le graphène pourrait aussi aider l’ingénierie tissulaire, qui consiste à régénérer des tissus biologiques, par exemple avec des implants capables d’engendre la croissance cellulaire d’un organe. Ce domaine de recherche n’en est qu’à ces débuts, mais, dans une étude publiée en 2011, des chercheurs de l’université de Singapour ont montré que la différenciation de cellules souches en cellules osseuses était accélérée lorsqu’elles étaient déposées sur du graphène plutôt que sur des polymères à base de silicium. « Ces recherches sont prometteuses, mais elles ne sont qu’au stade préclinique », prévient Aberto Bianco.

Du graphène pour dessaler l’eau de mer

L’espoir est également de révolutionner la désalinisation de l’eau de mer grâce au graphène. « La technique de l’osmose inverse consiste à forcer le passage de l’eau de mer à travers les trous d’une membrane : elle laisse passer l’eau mais pas les espèces ioniques qui constituent le sel », explique Lydéric Bocquet, de l’Institut Lumière Matière (ILM)1, à Lyon. Pour ce faire, il faut que la membrane ait des trous minuscules. Mais, dans ce cas, sa capacité à laisser passer l’eau baisse considérablement. Le graphène permet de contourner cette difficulté grâce à son épaisseur atomique : en effet, plus l’épaisseur de la membrane est faible, plus l’eau passe facilement, sans que le blocage du sel soit affecté. Plusieurs groupes, notamment à l’ILM, travaillent sur une démonstration expérimentale de cet effet.

Voici une video de démonstration de l'efficacité du graphène :