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GRAPHÈNE

La famille du graphène : les matériaux 2D

L’obtention du graphène a ouvert la voie à l’étude d’une immense famille de nouveaux matériaux appelés matériaux 2D. Ceux-ci sont des cousins du graphène : comme lui, ils sont formés de plans de cristaux bidimensionnels adhérant les uns aux autres par une faible interaction et peuvent donc être manipulés de la même manière. Ces matériaux 2D présentent une grande variété de propriétés physiques et chimiques, offrant ainsi de nombreuses perspectives pour la recherche et la technologie. Ils sont activement étudiés pour leurs applications potentielles, allant du développement de nouveaux procédés de filtration de l’eau à la conception de supercondensateurs pour stocker l’énergie.

De plus, la faible adhésion entre couches permet de constituer des empilements artificiels contrôlés de matériaux 2D que l’on appelle des hétérostructures verticales. Celles-ci sont très intéressantes car elles présentent des propriétés émergentes – c’est-à-dire non héritées de celles de leurs constituants isolés. Ainsi, il a été démontré que l’hétérostructure formée de deux feuillets de graphène superposés possède des propriétés électroniques très dépendantes de leur angle relatif d’empilement. Celles-ci émergent car la superposition de ces deux réseaux hexagonaux de carbone forme un superréseau périodique appelé « motif moiré ». En 2018, par exemple, il a été observé que, pour un angle « magique » de 1,1 degré, ce double feuillet devient supraconducteur à basse température (T < 1,7 K). En fait, même sur une surface métallique, l’effet de moiré peut être important. Par exemple, le graphène monofeuillet sur une surface d’iridium forme un motif moiré qui le rend chimiquement actif aux endroits où un atome de carbone se trouve en regard d’un atome d’iridium. Le transfert partiel de charges locales entre les deux atomes crée des sites privilégiés pour le greffage réversible de molécules organiques permettant la conception de nouveaux détecteurs chimiques.

Hétérostructure de matériaux 2D

Hétérostructure de matériaux 2D

Hétérostructure en moiré

Hétérostructure en moiré

Parmi les nombreux nouveaux matériaux 2D, le nitrure de bore hexagonal (hBN) est particulièrement important. Appelé graphène blanc, il possède la même structure cristalline que celle du graphène, mais les paires B-N (bore-azote) se substituent aux paires C-C (B et N étant des atomes encadrant C dans la classification périodique). Contrairement au graphène, c’est un excellent isolant et il est souvent utilisé de pair avec le graphène comme matériau protecteur. En 2013, il a été démontré que le mélange d’eau douce et d’eau de mer au contact d’une surface de hBN produit un courant ionique. Ce procédé physico-chimique permet la génération d’énergie décarbonée et non intermittente à partir de gradient d’eau salée et est appelé énergie « bleue » ou énergie osmotique.

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Écrit par

  • : directrice de recherche au CNRS, habilitée à diriger des recherches
  • : maître de conférences, habilité à diriger des recherches, membre de l'Institut universitaire de France

. In Encyclopædia Universalis []. Disponible sur : (consulté le )

Médias

Structure cristalline du graphène

Structure cristalline du graphène

Exfoliation du graphite pour l’obtention de graphène

Exfoliation du graphite pour l’obtention de graphène

Oxyde de graphène en solution aqueuse

Oxyde de graphène en solution aqueuse

Autres références

  • BOROPHÈNE

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 990 mots
    • 1 média

    Le borophène est une feuille de bore dont l’épaisseur est celle d’un seul atome. Comme le graphène à base de carbone, sa structure bidimensionnelle en fait un matériau de choix pour de futures applications tirant parti de ses remarquables propriétés électroniques. Mais, contrairement au graphène...

  • GEIM ANDRE (1958- )

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 468 mots

    Né le 21 octobre 1958 à Sotchi (Russie), le physicien néerlandais d'origine russe Andre Geim (Prix Nobel de physique en 2010) a passé sa prime enfance chez ses grands-parents maternels, sur le littoral ouest de la mer Noire, avant de rejoindre ses parents à Naltchik, la capitale de la république autonome...

  • GRAPHYNE

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 315 mots
    • 1 média

    Depuis 2004, les graphènes passionnent les physiciens pour leurs propriétés remarquables. Ces feuilles de carbone faites d'une unique couche d'atomes ont une structure en nid-d'abeilles et leurs caractéristiques électroniques et mécaniques très particulières en font un matériau plein d'avenir....

  • NOVOSELOV KONSTANTIN (1974- )

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 400 mots

    Le physicien russo-britannique Konstantin Novoselov (Prix Nobel de physique en 2010) naît le 23 août 1974 à Nizhny Tagil (Russie), une ville industrielle de l'Oural ; sa mère est professeur d'anglais et son père ingénieur à l'usine locale de fabrication des chars d'assaut T34. Enfant curieux et bricoleur...

Voir aussi