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RÉSUMÉ
Le graphène, isolé en 2004, continue d’attirer une attention soutenue de la part de la communauté scientifique et des industriels. Néanmoins, derrière ce nom se cache une véritable famille de matériaux, dont les membres sont identifiables au travers de mesures spécifiques.
Cet article présente ces différents types de graphène, leurs propriétés et applications, ainsi que les dernières avancées dans leur mode de production et, notamment, l’exfoliation chimique qui permet de lever un certain nombre d’obstacles à son industrialisation, principal enjeu de l’utilisation à grande échelle du graphène.
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Alban CHESNEAU : Président - Carbon Waters, Pessac (France)
INTRODUCTION
Le graphène, nanomatériau isolé initialement en 2004, fait l’objet d’une intense activité en recherche et développement depuis lors. Ce matériau présente des propriétés particulièrement intéressantes ayant des impacts potentiels sur l’ensemble des secteurs industriels, de l’électronique au milieu médical. Néanmoins, son industrialisation est actuellement largement limitée et ne concerne à l’heure actuelle que quelques produits, loin de l’impact qui est attendu.
Comme de nombreux matériaux tels que le silicium, sa capacité à être utilisé dans de multiples cas d’application est directement liée à la mise en place d’un procédé de production adéquat d’une forme de graphène directement utilisable par les industriels. De plus, il est désormais clair qu’il n’existe pas une forme universelle de graphène qui sera une référence pour l’ensemble des secteurs industriels. Une course s’est ainsi engagée, que cela soit au niveau académique, au sein des jeunes entreprises créées ces dernières années ou de grands groupes de Chimie, concernant le développement et l’optimisation de procédés de production.
Étant donné qu’il existe de multiples formes de graphène, chacune ayant ses propres propriétés physicochimiques et domaine d’applications, il est important d’identifier, selon les applications, la forme qui sera à même de répondre aux attentes des acteurs d’un secteur particulier.
Cet article se propose d’établir un lien direct entre les procédés de production et ces différentes formes de graphène. De plus, il présentera le lien entre l’évaluation de la qualité du graphène et plusieurs techniques d’analyses précises possibles, ainsi que les progrès de celles-ci. Enfin, dans un contexte où les nanomatériaux sont considérés avec une certaine méfiance, étant donné que de nombreuses questions subsistent sur leur devenir dans la nature et le corps humain, cet article appréciera les procédés de production du graphène au regard des risques encourus par les opérateurs et utilisateurs, mais en prenant en compte les impacts énergétiques et environnementaux. À ce titre, un procédé novateur, l’exfoliation chimique du graphite, permet d’envisager une réponse globale aux enjeux et limites de la production de graphène.
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6. Conclusion
Au travers de cet article, nous avons pu voir qu’il existe de multiples formes de graphène, chacune ayant des propriétés particulières et visant des applications spécifiques. Au-delà de la quête de performance, la maturité industrielle de ce nouveau matériau réside dans sa capacité à répondre aux réglementations qui s’appliquent à tout produit chimique.
De part son intense médiatisation, le graphène a fait naître des attentes auprès des industriels qui peuvent quelquefois être jugées comme irréalistes. Ainsi, ces dernières années, des entreprises de toute taille ont lancé des programmes de développement portant sur le graphène. Après avoir échangé avec nombre d’entre elles sur leurs succès, mais bien plus souvent malheureusement sur leurs échecs, nous pouvons lister trois éléments à considérer pour une bonne utilisation de ce matériau :
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le choix d’une forme de graphène adéquate. Pour cela, il est nécessaire de bien spécifier ses attentes en termes de propriétés visées (barrière, mécanique, électrique ou encore thermique) et de niveau de performance pour identifier la forme de graphène la plus adaptée à son projet de développement ;
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le choix d’une forme de graphène stable. Le graphène est souvent utilisé en tant qu’additif. Une attention particulière doit donc être porté sur la stabilité de ce matériau en solution. De nombreuses expériences passées ont appris aux industriels que le recours à de multiples additifs pour stabiliser le graphène peut avoir un impact très négatif sur les performances finales du produit ;
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le choix d’une forme de graphène en adéquation avec les procédés industriels existants. Le recours à des nanoparticules peut s’avérer quelquefois nécessaire, notamment dans le cadre des procédés d’extrusion. En parallèle, l’utilisation de formulations liquides déjà concentrées en graphène permet de limiter les risques ;
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le choix d’une forme de graphène compatible avec une industrialisation. Il est important d’avoir la capacité de produire plusieurs tonnes de ce matériau à des coûts comparables à d’autres additifs. Néanmoins, le niveau de qualité du graphène des installations industrielles reste encore trop souvent variable,...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - WALLACE (P.R.) - * - . – Phys. Rev. 71, 622.2. Eizenberg, M. & Blakely, J. M. Surf. Sci. 82, p. 228-236 (1947) (1979).
-
(2) - NOVOSELOV (K.S.) et al - * - . – Science 306, p. 666-669 (2004).
-
(3) - MAINE (E.), SEEGOPAUL (P.) - * - . – Nat. Mater. 15, p. 487-491 (2016).
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(4) - FITZER (E.), KOCHLING (K.-H.), BOEHM (H.P.) et al - Recommended terminology for the description of carbon as a solid. - Pure Appl Chem, 67 : p. 473-506 (1995).
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(5) - HAUGAN (T.), BARNES (P.N.), WHEELER (R.) et al - Addition of nanoparticle dispersions to enhance flux pinning of the YBa2Cu3O7-x superconductor. - Nature, 430 : p. 867-70 (2004).
-
(6) - NAIR (R.R.), BLAKE (P.), GRIGORENKO (A.N.) et al - Fine structure constant defines visual transparency...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Nanotechnologies et emballage alimentaire – Panorama des utilisations et risques associés.
-
Toxicité des nanotubes de carbone envers l'homme et l'environnement.
-
Réflexions juridiques sur l'analyse du cycle de vie des nanomatériaux.
-
Imagerie Raman de matériaux et dispositifs nano/microhétérogènes.
-
...
NORMES
-
Nanotechnologies – Vocabulary – Part 13 : Graphene and related two-dimensional (2D) materials. - ISO/TS 80004-13 - 2017
-
Nanotechnologies – Matrix of properties and measurement techniques for graphene and related two-dimensional (2D) materials. - ISO/TR 19733 - 2019
ANNEXES
WO2005073127 : « Method for dissolving carbon nanotubes and the use thereof ».
WO2009056696 : « Graphene solutions ».
WO2015189335 : « Aqueous and organic suspensions of exfoliated nanocarbon materials, method for making same and uses thereof ».
HAUT DE PAGE2.1 Producteurs de graphène (liste non exhaustive)
Graphenea – producteur de graphène par CVD
Abalonyx – Producteur de RGO
Applied Graphene Materials – Producteur de graphène à partir d’exfoliation mécanique
https://www.appliedgraphenematerials.com
HAUT DE PAGE
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