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Nobel de physique 2010 : un matériau « révolutionnaire »

Deux chercheurs d'origine russe ont été récompensés pour leurs travaux sur le graphène, un matériau composé uniquement de carbone, aux propriétés électroniques remarquables.

Recherches récentes

Konstantin Novoselov Prix Nobel de physique 2010 © Friedrun Reinhold / Koerber-Stiftung / AFP

Pour une fois, ce ne sont pas d'anciennes recherches qui ont été couronnées par le comité Nobel, mais des travaux de physique récents. Le comité a récompensé Andre Geim et Konstantin Novoselov, de l'université de Manchester en Grande-Bretagne, âgés respectivement de 51 et 36 ans, pour « leurs expériences révolutionnaires sur un matériau bidimensionnel, le graphène. Ils ont été les premiers à isoler, identifier et caractériser cette couche unique d'atomes de carbone. Leur article publié dans la revue Science en octobre 2004 a déclenché une activité scientifique intense dans ce domaine ». De fait, le graphène cumule beaucoup de qualités : il est extrêmement résistant, c'est un très bon conducteur thermique, et surtout ses propriétés électriques le rendent très prometteur pour l'électronique.

Qu’est-ce que le graphène ?

La mine d'un crayon est en graphite, c'est-à-dire formée de feuillets composés uniquement d'atomes de carbone. Chaque feuillet est très peu lié aux autres, si bien que lorsque la mine du crayon touche le papier, des feuillets s'en détachent et marquent le papier. Mais à l'intérieur de chaque feuillet, les liaisons entre les atomes de carbone sont très fortes, très résistantes. Ces carbones forment des hexagones, comme un nid d'abeille. La difficulté est d'obtenir une seule couche de carbone. C'est elle qu'on appelle le graphène.

Du simple scotch

Diagramme montrant des nanotubes faits à partir de feuilles de graphène © Michael Ströck / CC-sa/3.0/deed.en

Bien que le graphène soit un matériau connu depuis longtemps, il n'avait jamais été isolé ni caractérisé. « La simplicité de la méthode mise au point par Geim et Novoselov pour isoler une couche unique d'atomes de carbone a fait progresser les recherches très vite », s'enthousiasme Annick Loiseau, chercheuse à l'Onera. La méthode de fabrication du graphène de Geim et Novoselov utilise un simple morceau de Scotch, que l'on applique sur du graphite très pur. Une partie du graphite se colle au ruban, mais elle comporte un grand nombre de couches. Il faut alors replier le Scotch plusieurs fois sur lui-même, pour arracher à chaque fois une partie du graphite. Reste ensuite à dissoudre l'ensemble et à repérer au microscope les zones ne contenant qu'une couche de graphène.
Cependant, cette méthode « rustique » ne sera pas celle utilisée pour les applications : les morceaux de graphène ainsi obtenus sont trop petits. L'équipe de Walter de Heer au Georgia Institute of Technology (Georgia Tech), aux États-Unis, a mis au point une autre méthode pour obtenir du graphène. Un cristal de carbure de silicium (un composé formé de carbone et de silicium) est chauffé à 1300°C dans un four sous vide. Il se décompose, le silicium s'évapore, et il reste le carbone, sous forme de graphène. « Cette technique, permet d'obtenir du graphène de très grande qualité et sur de grandes surfaces », explique Claire Berger, chercheuse à Atlanta au Georgia Tech et à l'Institut Néel – CNRS à Grenoble.

Applications multiples

Andre Geim Prix Nobel de physique 2010

Les applications les plus importantes du graphène concernent la micro-électronique, car les électrons s'y déplacent bien plus facilement que dans n'importe quel autre matériau. Autre avantage, le graphène peut facilement être « dopé » (on change ses propriétés électroniques), il est inerte chimiquement, résistant mécaniquement. Aux États-Unis, des industriels comme IBM et Intel investissent déjà des millions de dollars dans ce matériau qui pourrait un jour remplacer le silicium. L'équipe du Georgia Tech a récemment annoncé avoir produit 10 000 transistors sur une surface de graphène. « Les applications concerneront d'abord l'électronique à très haute valeur ajoutée, d'ici cinq à dix ans, prédit Claire Berger. Pour les applications de masse, ce sera plus long. » Le fait que le graphène soit transparent ouvre aussi la voie à des applications telles que des écrans tactiles.

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