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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 qui donne au graphène son extraordinaire conductivité électrique, même à température ambiante. Le graphène est la molécule dans laquelle les électrons ont la plus grande mobilité, et c’est aussi celle qui évacue le plus vite la chaleur. Deux propriétés essentielles pour des transistors.

OBTENIR DU GRAPHÈNE : UNE MINCE AFFAIRE

Deux techniques sont principalement utilisées pour obtenir ces précieuses « dentelles » de carbone. La première consiste à « peler » un petit morceau de graphite couche par couche en appliquant une bande de ruban adhésif. Cette technique dite du « graphène exfolié », nécessite plusieurs étapes successives pour parvenir à déposer une seule et unique couche du précieux matériau sur un support isolant.

Elle a été mise au point à Manchester par André Geim et Kostia Novoselov, qui ont obtenu le prix Nobel de physique 2010. La seconde technique, dite du « graphène épitaxié », a été mise au point par une équipe franco-américaine dirigée par Walt de Heer et Claire Berger. Elle consiste à chauffer à environ 1 400 °C un bloc de céramique composée de silicium et de carbone, appelée carbure de silicium (SiC). À cette température, le silicium s’évapore et laisse en surface un ou plusieurs plans de carbone sans interaction les uns avec les autres.Cette technique de « fabrication  » du graphène est souvent citée comme la plus prometteuse industriellement parlant.

La prouesse n’a pas tellement été de produire du graphène, qui existe à l’état naturel à l’intérieur du graphite, mais plutôt d’isoler une seule feuille, d’en faire un objet de recherche manipulable et relativement facile à obtenir. L’enjeu réside aussi dans la capacité à mesurer le comportement de ses fameux électrons « de conduction », ceux qui permettent au courant électrique de passer. Une collaboration internationale entre chercheurs du CNRS de Grenoble et du Georgia Institute of Technology d’Atlanta aux États-Unis, a démontré que le graphène épitaxié multicouches produit à partir de carbure de silicium est composé de feuillets de graphène qui se composent comme des plans découplés.

COMPOSANTS ÉLECTRONIQUES DE DEMAIN

Il restait à prouver que ce matériau possède les propriétés électroniques d’un feuillet unique de graphène, condition nécessaire pour le développement de l’électronique à base de graphène. C’est ce que les expériences menées sur la ligne de lumière Cassiopée du synchrotron SOLEIL viennent de confirmer. La spectroscopie de photoémission résolue en angle mise en oeuvre sur cette ligne permet d’accéder aux propriétés électroniques de la matière et en particulier pour des matériaux très fins. Grâce aux résultats des travaux publiés dans un récent numéro de Physical Review Letters, revue de référence en physique, on peut désormais établir que le graphène épitaxié est une plateforme idéale pour les composants électroniques à base de carbone. Rendez-vous dans quelques années quand, avec cette connaissance scientifique fondamentale, des industriels parviendront peut-être à développer les composants électroniques de demain.

L’amidon est un autre matériau naturel, qui, dans un tout autre domaine semble promis à un bel avenir grâce à l’une de ses propriétés : la « mémoire de forme ». Récemment démontrée, cette propriété, ouvre la voix à de nouveaux matériaux respectueux de l’environnement, par exemple en agroalimentaire, dans la fabrication de matériaux biomédicaux ou encore en micromécanique.

Cette grosse molécule (macromolécule) de la famille des glucides, est une véritable réserve d’énergie pour les êtres vivants et fait partie, avec les protéines et les lipides, des constituants essentiels pour nos organismes. L’amidon est un polymère (une longue chaîne assemblée de molécules de même nature chimique) et, en particulier, un « biopolymère », c’est-à-dire qu’il est synthétisé à partir de ressources renouvelables par opposition aux polymères fabriqués à partir de dérivés du pétrole et qui constituent bon nombre de nos objets du quotidien (matières plastiques, shampoing, jouets, etc.).

Les matériaux à mémoire de forme les plus connus sont des alliages métalliques. Capables de « garder en mémoire » une forme initiale, ils peuvent y revenir après déformation, voire de passer d’une forme à une autre dans certaines conditions de température, de pression, de compression. On en connaît une application quotidienne : les montures de lunettes fabriquées à base de titane et réputées incassables. Une équipe de l’Institut national de la recherche agronomique (l’Inra) a découvert que l’amidon, sans aucun traitement chimique, présente les propriétés des polymères à mémoire de forme. En effet, on peut faire évoluer une forme de base en quelques minutes par chauffage et en appliquant une pression, puis revenir à la forme initiale en humidifiant le matériau pendant quelques heures. De plus, l’autre intérêt d’un matériau à base d’amidon réside dans la simplicité de production et la biodégradabilité.

LA MÉMOIRE DE FORME, UNE QUESTION DE PHASE

La propriété qui permet la mémoire de forme résulte d’une structure moléculaire spécifique qui peut être modifiée provisoirement. Les polymères comme l’amidon sont souvent sous forme de solides amorphes, c’est-à-dire sans ordre moléculaire à moyenne et courte distance contrairement aux solides cristallins comme le sel de cuisine ou le diamant. Ils peuvent subir une transformation appelée « transition vitreuse » qui se produit à une température particulière notée Tg. Lorsque la température est inférieure à Tg, ils sont durs et fragiles comme du verre (on parle alors d’« état vitreux ») et lorsque la température dépasse Tg, ils deviennent caoutchouteux, mous, flexibles et possèdent donc une grande capacité de déformation. L’avantage de cette transition vitreuse est aussi qu’elle est réversible ; pour l’amidon, elle s’exprime aux alentours de 120 °C.

UN CYCLE THERMOMÉCANIQUE PRÉCIS

Ainsi pour obtenir un amidon à mémoire de forme, on met en œuvre un cycle thermomécanique précis : la forme initiale est produite à chaud et figée par refroidissement rapide. Une nouvelle forme temporaire, lui est donnée lors d’un chauffage ultérieur à une température supérieure à celle de sa transition vitreuse (Tg). Cette forme est figée par refroidissement à température ambiante. Le retour à la forme initiale se produit spontanément si la température de l’objet devient supérieure à sa Tg : quasi instantanément par un chauffage micro-ondes, plus lentement dans l’eau chaude ou par friture en bain d’huile.

Ces produits étant comestibles, demain nos céréales du petit-déjeuner prendront peut-être des formes variables en fonction de la température à laquelle on les consommera ! Des utilisations moins anecdotiques, seront sans doute exploitées comme des traceurs d’humidité intégrés dans des emballages et bien utiles pour détecter l’état de conservation de produits alimentaires.

Une collaboration avec l’Institut national de la santé et de la recherche médicale (l’Inserm) devrait aussi permettre de valider les applications de ces matériaux dans le domaine biomédical, tel que pour la réalisation d’implants résorbables ou de systèmes de diffusion progressive dans l’organisme de principes actifs pour le traitement de certaines maladies. Pour parvenir à mettre au point ces matériaux innovants et respectueux de l’environnement, il s’agit aujourd’hui de bien comprendre quels processus sont en jeu au niveau moléculaire. Et c’est là qu’interviennent les études réalisées avec le rayonnement synchrotron. Par exemple, sur la ligne de lumière Smis du synchrotron SOLEIL, spécialisée en microscopie infrarouge, il est possible de cartographier l’orientation des molécules pendant qu’on « travaille » l’amidon, c’est-à-dire pendant qu’on modifie son environnement (température, humidité) et les conditions de torsion ou de compression. Les propriétés spécifiques de très grande brillance et de polarisation de lumière synchrotron permettent également de détecter la mémoire de la forme initiale dans le matériau modifié.

Ces travaux ne sont pas terminés mais ont d’ores et déjà fait l’objet d’un dépôt de brevet européen par l’Inra.

Notes

[1Mobilité : Capacité d’un électron à se déplacer librement dans un cristal sans être diffusé.