Science des matériaux
Nettoyer le graphène : la clé de la commercialisation
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Au fil des années, le graphène a acquis de nombreux adjectifs. Certains l’ont qualifié de « matériau miracle époustouflant », tandis que d’autres l’ont désigné comme un « supermatériau éprouvé ». Le monde a découvert les merveilles du graphène il y a plus d’une décennie.
En 2012, Nature a publié un article intitulé ‘A roadmap for graphene‘, qui détaillait pourquoi le graphène était rapidement devenu le chouchou de la communauté scientifique. Les chercheurs ont souligné les propriétés du graphène comme raison de cet intérêt, en déclarant :
« Ce tissu de carbone d’un atome d’épaisseur combine de façon unique une résistance mécanique extrême, des conductivités électroniques et thermiques exceptionnellement élevées, une imperméabilité aux gaz, ainsi que de nombreuses autres propriétés suprêmes, qui le rendent très attractif pour de nombreuses applications. »
Conscient du potentiel du graphène, l’Union européenne a décidé d’y consacrer 1 milliard d’euros ou 1,3 milliard de dollars entre 2013 et 2023. Cet investissement visait à confirmer les capacités transformatrices du graphène, notamment lorsqu’il est appliqué à l’électronique, à l’énergie, à la santé, à la construction, etc. Ces initiatives ont bénéficié du soutien d’un long parcours de recherche, avec plus de 8 000 articles rédigés sur le graphène entre 2005 et 2013.
Depuis lors, l’intérêt pour le graphène au sein de la communauté scientifique ne s’est pas estompé. Aujourd’hui, les chercheurs cherchent des moyens de commercialiser davantage le graphène à grande échelle. Dans le cadre d’une telle étude, une équipe d’ingénieurs de l’Université Columbia, avec des collègues de l’Université de Montréal et du National Institute of Standards and Technology, a examiné les possibilités de nettoyer le graphène, le rendant prêt pour une reproduction commerciale à grande échelle.
Relever les défis de la synthèse du graphène par dépôt chimique en phase vapeur (CVD)
Le CVD est l’une des deux méthodes traditionnelles de synthèse du graphène, l’autre étant la méthode du « ruban adhésif ». Cette méthode, également appelée croissance CVD, atteint ses objectifs en faisant passer un gaz contenant du carbone, comme le méthane, sur une surface de cuivre à environ 1000 °C.
Le processus décompose le méthane afin que les atomes de carbone puissent se réarranger et s’aligner en une seule couche de graphène en forme de nid d’abeille. L’avantage de cette méthode par rapport à la méthode du « ruban adhésif » est que la croissance CVD peut créer des échantillons de graphène beaucoup plus grands, de l’ordre du centimètre voire du mètre. En revanche, la méthode du « ruban adhésif » produit un graphène très petit, de quelques dizaines de micromètres.
Les productions de graphène par croissance CVD sont plus largement utilisables que celles de la méthode du « ruban adhésif ». Cependant, les échantillons synthétisés par CVD souffrent de problèmes de reproductibilité et de qualité variable.
Pour relever ces défis, les chercheurs ont mis au point une méthode de dépôt chimique en phase vapeur sans oxygène (OF-CVD) capable de créer des échantillons de graphène de haute qualité à grande échelle.
En évoquant l’innovation et sa qualité pionnière, James Hone, auteur principal de la recherche et professeur Wang Fong-Jen de génie mécanique à Columbia Engineering, a déclaré :
« Nous montrons que l’élimination quasi totale de l’oxygène du processus de croissance est la clé pour obtenir une synthèse CVD du graphène reproductible et de haute qualité. C’est une étape importante vers la production à grande échelle du graphène. »
La recherche, au-delà de ses réalisations dans le domaine scientifique et technologique, a également démontré comment les collaborations académiques doivent fonctionner. Il y a six ans, Richard Martel et Pierre Levesque, co‑auteurs de la recherche provenant de Montréal, avaient montré que de faibles traces d’oxygène peuvent ralentir le processus de croissance et graver le graphène. À cette époque, sur la base des conclusions de Martel et Levesque, Christopher DiMarco, GSAS 19, a conçu et construit un système de croissance CVD où il était possible de contrôler la quantité d’oxygène pendant le processus d’automatisation.
L’étude actuelle poursuit les travaux de Martel, Levesque et Di Marco, où Xingzhou Yan et Jacob Amontree, doctorants actuels, ont découvert que la croissance CVD était beaucoup plus rapide lorsque les traces d’oxygène étaient éliminées. La qualité de ces échantillons CVD sans oxygène est pratiquement identique à celle du graphène exfolié, qui est très propre et exempt d’impuretés pouvant autrement interférer avec les propriétés souhaitées du graphène.
En plus de produire un graphène propre et pur, les chercheurs ont découvert qu’il était possible de prédire le taux de croissance CVD sur une gamme de paramètres différents, notamment la pression du gaz et la température.
Dans les jours à venir, les chercheurs prévoient d’avancer avec le graphène en développant une méthode de transfert propre du graphène de haute qualité depuis le catalyseur métallique de croissance vers d’autres substrats fonctionnels, tels que le silicium. Cela élargirait considérablement les possibilités du graphène.
Graphène « propre » : la clé de la commercialisation
Le graphène, dès ses débuts, a suscité de l’intérêt grâce à ses nombreuses qualités. Ses atomes de carbone sont parfaitement répartis dans une formation hexagonale en nid d’abeille, d’une épaisseur de seulement 0,3 nanomètre, avec seulement 0,1 nanomètre entre chaque atome. Cette simplicité structurelle et cette pureté confèrent au graphène plusieurs propriétés.
Par exemple, il est 200 fois plus résistant que l’acier tout en étant six fois plus léger. Sa transparence est presque parfaite, laissant passer environ 98 % de la lumière tout en n’absorbant que 2 %. Le graphène est également imperméable aux gaz, et ses propriétés peuvent être modifiées en ajoutant des composants chimiques à sa surface. Annick Loiseau du Bureau National d’Études et de Recherches Aérospatiales (ONERA) a formulé le slogan suivant : « L’avenir réside dans le graphite de crayon ! »
En essence, le graphène était prêt à être commercialisé. Il était préparé pour le grand saut. Cependant, un domaine qui restait controversé était le nettoyage du graphène tout en conservant sa taille. La recherche actuelle montre comment créer un graphène propre de l’ordre du centimètre voire du mètre et le rendre prêt pour une commercialisation à grande échelle.
Avec les avantages du graphène disponibles pour que chacun puisse les explorer et les exploiter, la communauté scientifique s’est intéressée aux possibilités d’autres structures élémentaires monomoléculaires. L’élément qui s’est distingué était le bore, dont la monocouche est appelée le borophène.
Comparaison entre le graphène et le borophène
Graphène et borophène sont constitués de feuilles uniques de leurs éléments respectifs. Ils possèdent une grande résistance structurelle, sont très flexibles et ne se dégradent pas facilement.
Il existe également quelques différences. Par exemple, le graphène possède des feuilles planes et une structure de réseau hexagonal. Les feuilles de borophène présentent une légère courbure et existent en trois sous-allotropes avec des agencements différents de triangles et d’hexagones.
Nous avons déjà abordé les propriétés du graphène. Les propriétés du borophène en font un élément crucial pour les technologies photovoltaïques, l’électronique flexible et les écrans, grâce à sa haute conductivité électrique et à sa transparence optique le long de la direction « a » ainsi qu’à toutes sortes d’anisotropies novatrices.
Dans l’ensemble, le développement du graphène et du borophène a rendu possible l’expérimentation de différentes innovations technologiques aux qualités appliquées intéressantes.
Dans la discussion d’aujourd’hui, qui se concentre sur le graphène, nous examinerons les entreprises qui ont innové dans l’application du graphène. Mais avant d’analyser les entreprises individuelles et leurs réalisations, nous devons étudier le Graphene Flagship, le consortium pionnier qui ouvre de nouveaux horizons pour développer différentes solutions avec le graphène.
Le Graphene Flagship
Financé par l’Union européenne, le Graphene Flagship réunit 118 partenaires académiques et industriels dans 12 projets de recherche et d’innovation ainsi qu’un projet de coordination et de soutien « pour renforcer l’autonomie stratégique de l’Europe dans les technologies reposant sur le graphène et d’autres matériaux 2D ».
Au cours des dix dernières années, le Graphene Flagship a atteint de nombreux jalons. Le plus récent et peut-être le plus important de ces jalons à ce jour a été le succès du projet pionnier d’intégration de semi-conducteurs à base de matériaux 2D du graphène.
Le projet a débuté en octobre 2020 afin de faire sortir le graphène et les matériaux connexes (GRM) du laboratoire pour les amener à une production et une utilisation commerciales à grande échelle. Avec un budget de 20 millions d’euros réparti sur quatre ans, le projet 2D Experimental Pilot Line (2D‑EPL) s’est concentré sur le prototypage, la fabrication de plaquettes et la mise en place de processus.
Les résultats ont été prometteurs, pour le dire légèrement. Grâce aux réalisations du projet, les universitaires, les chercheurs et les entreprises privées ont eu une opportunité unique de tester et de prototyper de nouvelles idées pour des dispositifs à base de matériaux 2D. Cela a conduit à des productions de plaquettes multi‑projets (MPW), qui ont permis le développement de prototypes à faible coût et à grande échelle.
Dans le domaine de la mise en place de processus, le Graphene Flagship a aidé la communauté scientifique en construisant deux outils sur mesure, dont un réacteur de dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD) d’Aixtron et un outil automatisé de transfert de couches 2D de SUSS MicroTec (SMHN.SW ). Ces outils ont permis de réaliser des tests approfondis et de modifier les processus de croissance et de transfert de couches de matériaux 2D, essentiels pour atteindre de hautes capacités de production à l’avenir.
En expliquant les réalisations du Graphene Flagship et de son projet 2D‑EPL, Patrik Johansson, directeur du Graphene Flagship, a déclaré :
« La ligne pilote ne concerne pas seulement les données concrètes et les avancées scientifiques et technologiques que nous avons rassemblées, mais aussi — et peut‑être encore plus important — les interactions personnelles qui ont créé un terrain de jeu pour la fertilisation croisée d’idées pour l’avenir de l’innovation des matériaux 2D en Europe. Alors que le marché mondial du graphène devrait croître de façon exponentielle, passant d’un chiffre d’affaires annuel de 380 millions de dollars US en 2022 à 1,5 milliard de dollars US en seulement cinq ans, des projets comme le 2D‑EPL sont essentiels pour maintenir l’Europe à la pointe du développement et de l’innovation. »
En dehors du consortium, certaines entreprises individuelles ont réalisé un travail remarquable dans ce domaine. Dans les sections ci-dessous, nous présentons brièvement quelques-unes de ces sociétés.
#1. NanoXplore
Fondée en 2011 et dont le siège se trouve à Montréal, Québec, NanoXplore possède une installation de production de poudre de graphène de 4 000 tonnes métriques par an (GRA.TO ) conçue avec une structure modulaire. L’entreprise se spécialise dans le développement et la formulation de solutions à base de graphène en tant qu’additif pour améliorer les performances des matériaux industriels dans les thermoplastiques et les thermodurcissables.
L’installation de NanoXplore dispose de capacités d’extrusion de premier ordre pour créer des masterbatches enrichis en graphène dans les polyoléfines et les polymères ingénierés. Grâce à sa technologie propre brevetée, NanoXplore offre à ses clients une gamme de solutions à base de graphène, notamment la poudre GrapheneBlackTM et les granulés de masterbatch enrichis en graphène. La division Composites de NanoXplore propose des produits plastiques et composites standards et sur mesure à divers clients dans les secteurs du transport, de l’emballage, de l’électronique et d’autres industries.
Graphene Black de NanoXplore est une poudre de graphène polyvalente offrant le meilleur équilibre entre mixabilité et fabricabilité. Cela permet au graphène d’accroître sa viabilité commerciale et d’améliorer significativement les propriétés des plastiques et des polymères.
NanoXplore tente également d’ajouter GrapheneBlack aux chimies actuelles de batteries Li‑ion dans des anodes Li‑ion à base de silicium afin d’améliorer la capacité énergétique et les vitesses de charge dans ses batteries enrichies en graphène, utiles aux véhicules électriques, aux systèmes de stockage d’énergie, ainsi qu’aux camions et bus électriques.
Selon ses derniers rapports financiers, NanoXplore a réalisé des revenus de 33,87 millions et près de 92 millions de dollars canadiens pour les périodes de trois et neuf mois se terminant le 31 mars 2024, respectivement.
Une autre entreprise qui a bien réussi dans la fabrication propre de poudre de graphène est GMG ou Graphene Manufacturing Group Limited.
#2. Graphene Manufacturing Group Limited
Il s’agit d’une entreprise de technologie propre disposant d’un processus de production propriétaire qui fabrique de la poudre de graphène à partir de matières premières peu coûteuses et facilement disponibles. Le processus produit du « graphène de haute qualité, à faible coût, évolutif, réglable et sans contaminants » qui aide à développer des solutions dans les domaines de l’économie d’énergie et du stockage d’énergie.
Plus précisément, la gamme de produits de GMG comprend des revêtements de chauffage, ventilation, climatisation et réfrigération (HVAC‑R) enrichis en graphène, ainsi que des lubrifiants et des fluides. L’entreprise travaille également à la commercialisation de batteries au graphène aluminium‑ion de GMG, qui pourraient offrir une densité énergétique supérieure à celle des batteries lithium‑ion.
Pour les périodes de trois et neuf mois se terminant le 31 mars 2024, GMG a réalisé des revenus de 53 000 et 212 000 dollars australiens, respectivement.
Le matériau miracle du futur?
Les propriétés et caractéristiques révolutionnaires du graphène lui permettront d’accomplir davantage à l’avenir. Il sera utilisé dans l’électronique, la photonique, l’énergie, le biomédical, les composites et la conception des matériaux 2D de demain.
Ces matériaux 2D offrent des propriétés physiques et chimiques exceptionnelles, permettant des applications révolutionnaires en optoélectronique, énergie, détection, composites, et plus encore. La clé d’une croissance rapide serait de développer des méthodes qui fonctionnent avec le graphène de la manière la plus durable et la moins coûteuse possible.
