Culture Tech / Le graphène, matériau de demain

Voici un matériau fascinant qui va révolutionner nos téléphones portables, la voiture électrique (sans batteries), la santé, l’environnement, nos panneaux solaires, etc… Il permet de déssaliniser l’eau de mer avec une facilité déconcertante et du coup rendre l’eau potable accessible dans de nombreux endroits du monde. Ses champs d’applications sont très nombreux du fait de ses propriétés extraordinaires (Il conduit l’électricité 30 fois mieux que le silicium et est 200 fois plus résistant que l’acier). Il s’en produit 400 tonnes par an. La Chine est le premier producteur mondiale de graphène.

Révélé en 2004, le graphène est donc un cristal transparent, hyper résistant, conducteur et doté de propriétés électroniques bien supérieures à celles du silicium. Cela en fait un candidat pour de nombreuses applications, notamment dans l’industrie informatique, dès lors que sa production de masse sera entamée.

Le graphène, Kézako ?

Extrait d’un article rédigé par Jean-Marie, le 25 Oct 2013, consoglobe

Le graphène est le meilleur conducteur d’électricité connu à ce jour : il suffit d’1 % de graphène dans du plastique pour le rendre conducteur. Il est transparent, extrêmement mince, très léger (0,77 milligrammes /m2), élastique, flexible et, en même temps, incroyablement résistant.

Le prix Nobel de physique 2010 pour le graphène / Andre Geim et le Russo-Britannique Konstantin Novoselov

MAURICE MASHAAL|  05 octobre 2010. Pour la science.

Le Néerlandais d’origine russe Andre Geim et le Russo-Britannique Konstantin Novoselov se partagent cette année le prix Nobel pour leurs travaux sur le graphène, feuillet de graphite d’épaisseur monoatomique.

Le graphène est une nouvelle forme du carbone, qui constitue le premier cristal bidimensionnel connu. C’est ce matériau exceptionnel à plus d’un titre que l’équipe d’Andre Geim et Konstantin Novoselov, à l’Université de Manchester (Grande-Bretagne), a réussi à obtenir en 2004. Ils l’ont fait par exfoliation mécanique : avec du simple ruban adhésif, ils ont pelé des feuillets de carbone à partir de graphite, feuillets qu’ils déposaient sur une surface de dioxyde de silicium. Certains des feuillets ainsi obtenus sont d’épaisseur monoatomique : une telle couche, formée par des atomes de carbone chimiquement liés entre eux de façon à former des hexagones (chaque atome étant lié à trois autres), est ce qu’on appelle du graphène.

Le graphène s’est vite révélé un matériau aux propriétés très intéressantes, et de nombreuses équipes de physiciens se sont mises à explorer ce nouveau domaine. Tout d’abord, le graphène a surpris parce qu’on pensait, en vertu d’un théorème dit de Mermin-Wagner datant de la fin des années 1960, qu’un cristal bidimensionnel ne pouvait être stable, en raison de l’agitation thermique. Mais le graphène échappe au théorème car, s’il s’agit bien d’un cristal bidimensionnel, il réside dans un espace à trois dimensions : il peut se déformer dans la troisième dimension, ce qui rend l’agitation thermique moins néfaste à la stabilité de la structure.

Ensuite, le graphène révèle des propriétés électroniques extraordinaires. C’est notamment un très bon conducteur de l’électricité (à température ambiante, il conduit l’électricité plus vite que tout autre matériau), qui devrait trouver de nombreuses applications en micro- et nanoélectronique, par exemple pour réaliser des transistors bien plus rapides que les transistors actuels, à base de silicium. Le graphène est également très intéressant sur le plan théorique, car il constitue un système que l’on peut modéliser par l’électrodynamique quantique à deux dimensions, théorie que des physiciens avaient explorée dans les années 1950 à 1970 dans le but de mieux comprendre la théorie quantique des champs en trois dimensions d’espace.

Par ailleurs, le graphène est un matériau presque complètement transparent, excellent conducteur de la chaleur, et doté d’une grande rigidité. Toutes ces propriétés, dont l’origine réside souvent dans les lois de la physique quantique, font du graphène un matériau fascinant pour les physiciens et très prometteur pour les applications.

Des voitures électriques sans batteries grâce au supercondensateur/graphène

Les voitures électriques fonctionnent avec des batteries ou accumulateurs pour emmagasiner, transporter et délivrer l’énergie nécessaire à leur fonctionnement. Pourtant, des chercheurs ont prévu que d’ici 5 ans, ces véhicules en seront dépourvus grâce aux supercondensateurs. On vous explique tout sur cette technologie d’avenir.

Source : Iflscience Par William Arsac, le 19 novembre 2014

Les batteries (notamment leur autonomie, leur encombrement et leur prix) semblent être le facteur limitant l’essor des voitures électriques. Bien qu’il y ait eu des progrès impressionnants concernant les batteries au cours de ces dernières années, une équipe de chercheurs a trouvé le moyen de s’en passer grâce à un film supercondensateur. La suppression des batteries sera donc possible d’ici 5 ans (2020). Les travaux issus de la collaboration entre les scientifiques de l’université Rice et l’université de technologie du Queensland ont été publiés dans le Journal of Power Sources et dans la revue Nanotechnology.

« Les véhicules ont besoin d’une forte poussée d’énergie lors de l’accélération, c’est ici que les supercondensateurs entrent en jeu. Ils peuvent contenir une quantité limitée d’énergie, mais ils sont en mesure de la délivrer très rapidement, ce qui en fait le complément idéal des batteries de stockage de masse », a déclaré dans un communiqué de presse Marco Notarianni de l’université de technologie du Queensland. « Ce qui signifie un taux d’accélération rapide et un temps de charge de seulement quelques minutes contre plusieurs heures pour une batterie classique de voiture électrique. »

Le supercondensateur est constitué d’une couche d’électrolyte entourée de deux couches de graphène. Il est solide, extrêmement mince et est capable de libérer une grande quantité d’énergie dans un court laps de temps, ce qui est essentiel. Les batteries ordinaires prennent énormément de place alors que le film supercondensateur pourrait être intégré dans plusieurs zones existant déjà dans le véhicule comme les panneaux de carrosserie, le toit, le plancher et les portes. Un supercondensateur pourrait fournir à une voiture la quantité d’énergie nécessaire à son fonctionnement tout en la rendant beaucoup plus légère.

Le film supercondensateur à base de graphène pourrait être chargé plus vite et pourrait libérer l’énergie plus rapidement que les batteries standard mais ne pourrait pas contenir autant d’énergie. C’est un aspect que les scientifiques espèrent changer avec une étude plus approfondie. « On espère que le supercondensateur pourra stocker plus d’énergie qu’une batterie lithium-ion, tout en conservant sa capacité à libérer l’énergie jusqu’à 10 fois plus rapidement. Cela signifie que la voiture pourrait être entièrement alimentée par des supercondensateurs », explique Dr Jinzhang Liu de l’université de technologie du Queensland. « Après une charge complète, cette voiture sera capable de rouler 500 kilomètres, autant qu’une voiture à essence mais deux fois plus qu’une voiture électrique actuelle. »

Puisque les supercondensateurs sont fabriqués à partir de graphène, une seule couche d’atomes de carbone suffit, le film est donc écologique. Aussi, parce que le carbone est plus facile à produire que le lithium présent dans les batteries classiques, le supercondensateur pourrait finir par être assez économique.

« Le prix des batteries lithium-ion ne peut pas diminuer car le prix du lithium est élevé. Le film supercondensateur ne repose pas sur ces métaux et autres matériaux toxiques, il est donc plus respectueux de l’environnement », a expliqué le directeur de recherche de l’université de technologie du Queensland, Nunzio Motta.

Cette technologie qui vise à placer un film supercondensateur dans différentes parties d’une voiture électrique permet de l’alléger et de lui donner une plus grande autonomie tout en étant plus écologique. Au bureau, on apprécie l’idée d’un véhicule pouvant rouler sans batterie et on a hâte de voir les premiers prototypes. Et vous, pensez-vous que la recherche ira encore plus loin et que les appareils électroniques du futur seront capables de générer leur propre énergie ?

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