Les nouveaux matériaux dont raffolent les industries

De nouveaux matériaux

Certains matériaux sont devenus la coqueluche des industriels par leurs propriétés remarquables. Hier le verre, la céramique, les supraconducteurs… demain le graphène et les matériaux à mémoire de forme à base d’amidon pourraient bien connaître le même engouement.

La mise au point de nouveaux matériaux est le résultat d’un long cheminement scientifique qui doit souvent beaucoup aux progrès technologiques des instruments de détection et de mesure. Ainsi, les mémoires de nos téléphones, de nos appareils photo numériques et de tous les équipements utiles au stockage d’informations numériques pourraient, demain, résulter des études et des développements qui mobilisent de nombreux laboratoires dans le monde autour d’un nouveau matériau appelé « graphène ».

Dans un tout autre domaine, ce sont des nouveaux matériaux biodégradables à mémoire de forme qui permettront peut-être de développer des implants médicaux provisoires. Rencontre avec ces matériaux exceptionnels qui, demain, faciliteront peut-être nos communications ou nous aiderons à mieux vivre.

DEUX DIMENSIONS TRÈS PROMETTEUSES

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Circuit électronique et représentation du graphène (© N. Piroux, SOLEIL)

Le graphène est un nouveau matériau aux qualités électriques exceptionnelles. Il est formé d’une couche d’atomes de carbone disposés en nid-d’abeilles, comme représenté à droite de l’image

Les mines des crayons à papier sont en graphite. Ce minéral est composé uniquement d’atomes de carbone empilés en fines couches (cf. La face cachée du carbone). Le graphène est le nom donné à une seule de ces couches prise isolément. Les atomes de carbone y sont arrangés en hexagones sur une seule épaisseur (cf. image ci-contre). Ce cristal est une sorte de grosse molécule plane de l’épaisseur d’un atome seulement soit 0,3 nanomètre ! Et c’est là une petite révolution : dès 1947, des théoriciens avaient prédit que cette structure avait des propriétés tout à fait remarquables.

Et c’est le cas. Le graphène pourrait bien révolutionner l’électronique de demain car l’arrangement géométrique en « nid-d’abeilles » des atomes de carbone et les liaisons entre eux donnent aux électrons qui le composent une mobilité [1] bien plus grande que dans les matériaux actuels de l’électronique à base de silicium.

L’atome de carbone est constitué d’un noyau (protons et neutrons) et de six électrons répartis sur deux couches atomiques : deux électrons sont sur la première couche au plus près du noyau et quatre autres sont sur la deuxième couche.

DES ÉLECTRONS DE GRANDE MOBILITÉ

L’atome de carbone a donc quatre électrons externes disponibles pour des liaisons chimiques. Or dans la structure hexagonale du graphène, chaque atome de carbone étant lié à trois autres, il reste un électron par atome susceptible de se déplacer le long du réseau cristallin. À cause de la structure très particulière en nid-d’abeilles du matériau, les électrons dans le graphène sont peu diffusés et sont 30 000 fois plus mobiles que dans le silicium. C’est cette mobilité

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