L’effet accordéon du graphène stimule l’avenir de la technologie portable

Il n’y a que d’une vingtaine d’années que le graphène a été découvert. En si peu de temps, ce « matériau miracle » est devenu indispensable à l’électronique et à la technologie des semi‑conducteurs, au stockage d’énergie, à la gestion thermique, à la science des matériaux et à d’autres industries. 

Depuis que les professeurs Kostya Novoselov et Andre Geim de l’Université de Manchester ont isolé et caractérisé le graphène en 2004, ce qui leur a valu le prix Nobel de physique en 2010, le matériau reste l’un des domaines de recherche les plus passionnants en électronique.

Le graphène est un matériau bidimensionnel (2D) constitué d’une feuille extrêmement fine d’une seule couche d’atomes de carbone. Il présente des propriétés remarquables, notamment sa légèreté, sa très haute conductivité électrique et sa forte résistance mécanique.

Aujourd’hui, des chercheurs ont découvert une nouvelle propriété du graphène grâce à une méthode unique.

L’effet accordéon : rendre le graphène très extensible 

Sous la direction de Jani Kotakoski, une équipe de physiciens de l’Université de Vienne a rendu le graphène, pour la première fois, nettement plus extensible en le faisant jouer comme un accordéon. Cette nouvelle propriété a été révélée dans un environnement de mesure propre et sans air.

Les ondulations du graphène le rendent extensible, ouvrant la voie à son utilisation dans les dispositifs portables, où les matériaux doivent se plier et se mouvoir avec le corps tout en restant fiables.

Publié dans la revue Physical Review Letters¹, l’étude a été réalisée en collaboration avec l’Université technique de Vienne et financée par le Fonds autrichien pour la recherche (FWF).

L’équipe de chercheurs a mené des expériences qui ont clairement montré que la rigidité extrême du graphène provient de la disposition des atomes en forme de nid d’abeille ; ainsi, enlever certains atomes ainsi que leurs liaisons réduit cette rigidité. 

Des études scientifiques ont en fait rapporté des contradictions ; à la fois une légère réduction et une augmentation significative.

La dernière étude a rendu cela très clair grâce à l’utilisation d’appareils avancés, partageant le même environnement propre et sans air. Selon Katokoshi:

« Ce système unique que nous avons développé à l’Université de Vienne nous permet d’examiner les matériaux 2D sans interférence. » 

L’environnement propre et sans air permet de transporter les échantillons entre les différents appareils sans les exposer à l’air ambiant.

« Pour la première fois, ce type d’expérience a été réalisé avec le graphène entièrement isolé de l’air ambiant et des particules étrangères qu’il contient. Sans cette séparation, ces particules se déposeraient rapidement sur la surface, affectant la procédure expérimentale et les mesures. »

– Le premier auteur de l’étude, Wael Joudi

Cette attention portée à la propreté de la surface du matériau a en fait conduit à la découverte de l’effet accordéon lié à la rigidité du graphène.

Enlever deux atomes voisins provoque déjà un renflement perceptible du matériau initialement plat. Plusieurs de ces renflements ensemble entraînent une corrugation du matériau.

« On peut l’imaginer comme un accordéon. Lorsqu’on l’étire, le matériau ondulé s’aplatit, ce qui nécessite beaucoup moins de force que d’étirer le matériau plat et le rend donc plus extensible. » 

– Joudi

La formation d’ondes et l’extensibilité qui en résulte ont été confirmées par les simulations menées par Florian Libisch et Rika Saskia Windisch, physiciens théoriciens de l’Université technique de Vienne.

L’étude a rapporté que la résistance du matériau à la déformation élastique diminuait de 286 à 158 N/m. Cette diminution est « significativement plus grande » que ce qui est prédit par la plupart des études et contraste également avec certaines mesures présentées, en raison des corrugations produites par la contrainte locale aux vacants contenant au moins deux atomes manquants.

Les expériences menées par l’équipe ont en outre démontré « que l’effet inverse peut être mesuré lorsque la contamination de surface n’est pas éliminée avant l’ingénierie des défauts. »

Ainsi, les particules étrangères à la surface du matériau suppriment réellement cet effet et créent même un résultat opposé. En particulier, l’influence de ces particules rend le graphène encore plus rigide, ce qui explique les contradictions rapportées par les expériences précédentes. Selon Joudi:

« Cela montre l’importance de l’environnement de mesure lorsqu’on travaille avec des matériaux 2D. Les résultats ouvrent une voie pour réguler la rigidité du graphène et ainsi préparer le terrain pour des applications potentielles. » 

Repousser les limites du graphène grâce à des découvertes de pointe

La technologie portable est un secteur en plein essor, qui devrait dépasser les 150 milliards de dollars avant la fin de la décennie.

Un composant clé des dispositifs portables tels que les montres intelligentes, les bagues, les lunettes, les bracelets, les tatouages intelligents, les bijoux, les textiles, les pansements, les masques faciaux et les régulateurs de glucose en temps réel sont les capteurs, qui permettent la détection de données biométriques, la collecte d’informations et l’adaptation aux besoins du corps.

Le développement rapide d’appareils électriques flexibles et perceptibles a conduit à des capteurs portables à base de graphène, remarquables pour leur grand potentiel à rendre les établissements de santé plus accessibles et à améliorer la qualité des activités de détection.

Contrairement aux semi‑conducteurs traditionnels, qui sont rigides et ont des propriétés optoélectroniques limitées, et aux métaux, qui peuvent être coûteux, toxiques et voir leurs performances se dégrader sous contraintes mécaniques, les propriétés inhérentes du graphène le rendent particulièrement adapté à la création de dispositifs portables à faible coût et multifonctionnels.

La dernière étude nous a montré la capacité étonnante du matériau dans ces dispositifs grâce à l’augmentation spectaculaire de son extensibilité. Mais ce n’est pas la première fois ; au fil des années, de nombreuses études ont examiné le rôle du graphène dans les portables pour diverses raisons et ont fait de nombreuses nouvelles découvertes à ce sujet.

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Capteur de contrainte portable à base de graphène 

L’an dernier, des chercheurs ont développé² un capteur de contrainte portable utilisant le graphène capable de détecter et de diffuser la parole silencieuse.

Le collier « intelligent » construit par des chercheurs de l’Université de Cambridge capte les micromouvements de la gorge, qui sont relevés par le capteur de contrainte sous forme de signal électrique puis transmis à des modèles logiciels pour traitement et reconnaissance vocale. Il peut même capter les mots prononcés silencieusement et les diffuser.

Le dispositif possède une structure distincte, présentant des fissures ordonnées et approfondies sur des textiles revêtus de graphène, ce qui améliore considérablement la sensibilité. La couche de graphène structurée a été appliquée sur un capteur de contrainte textile intégré.

La méthode de fabrication de la technologie est également simple, évolutive, à faible coût et biocompatible. Le dispositif est adaptable à une utilisation prolongée et peut résister à plus de 10 000 cycles d’étirement‑relâchement tout en maintenant une fonctionnalité électrique stable et fiable.

En répondant dynamiquement aux micromouvements de la gorge, il peut capturer des signaux vocaux riches en informations, qui sont traités via un réseau neuronal, avec une précision record de 95,25 % dans le décodage de la parole. 

Selon les chercheurs, le dispositif a le potentiel de redéfinir le domaine des interfaces de parole silencieuse (SSI), qui implique des solutions de pointe pour permettre la communication verbale sans vocalisation.

Combinaison du graphène avec la soie pour l’électronique flexible

Dans une autre étude, des chercheurs du Département de l’énergie du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ont développé une couche 2D uniforme de « fibroïnes » ou de fragments de protéine de soie sur du graphène. 

L’utilisation de la protéine de soie dans l’électronique de conception n’est pas nouvelle, mais elle est limitée car les fibres de soie forment un enchevêtrement désordonné. D’où l’ajout du graphène.

Le « soie‑sur‑graphène » pourrait potentiellement créer un transistor sensible et réglable très recherché pour les capteurs de santé et portables. Il pourrait même servir de composant crucial dans les « memristors » utilisés dans les réseaux neuronaux et permettant aux ordinateurs d’imiter le fonctionnement du cerveau humain.

La soie a fait l’objet de nombreuses recherches comme moyen de moduler les signaux électroniques, mais maîtriser ce contrôle n’est pas aisé. Ainsi, l’équipe du PNNL a soigneusement contrôlé les conditions de réaction en ajoutant précisément des fibres de soie individuelles au système à base d’eau qui a créé une couche 2D hautement organisée de protéines empaquetées en feuillets β parallèles.

Il ne s’agit que de la première étape du revêtement contrôlé de soie sur des composants électroniques fonctionnels, les recherches futures se concentreront sur l’amélioration de la stabilité et de la conductivité des circuits intégrant la soie.

Un « tatouage » en graphène pour traiter les battements cardiaques irréguliers

Parallèlement, des chercheurs de l’Université du Texas à Austin (UT) et de l’Université Northwestern ont développé le premier implant cardiaque à base de graphène pour traiter les arythmies cardiaques.

Ces troubles surviennent lorsque le cœur bat trop lentement ou trop rapidement, et dans de nombreux cas, cela peut entraîner un AVC, une insuffisance cardiaque, voire la mort subite. Pour traiter l’arythmie, les médecins utilisent généralement des stimulateurs cardiaques implantables qui détectent les battements irréguliers et utilisent une stimulation électrique pour corriger le rythme. 

Ces dispositifs nécessitent des matériaux durs et rigides qui ne sont pas mécaniquement compatibles avec le corps et sont donc difficiles à fixer à la surface du cœur. Ils peuvent provoquer un inconfort temporaire, blesser les tissus mous, restreindre les mouvements naturels et induire des complications.

Contrairement à ceux‑ci, le nouvel implant biocompatible créé est un « tatouage » en graphène, qui ressemble à un tatouage temporaire. Il est plus fin qu’un cheveu, mais fonctionne comme un stimulateur cardiaque classique.

Le nouveau dispositif mince se fond doucement au cœur pour à la fois détecter et traiter les battements irréguliers. Il est suffisamment flexible pour s’adapter aux contours délicats du cœur et assez solide pour supporter les mouvements dynamiques d’un cœur qui bat.

« Pour des raisons de biocompatibilité, le graphène est particulièrement attrayant. Le carbone est la base de la vie, c’est donc un matériau sûr déjà utilisé dans différentes applications cliniques. Il est également flexible et doux, ce qui fonctionne bien comme interface entre l’électronique et un organe souple et mécaniquement actif. »

– Auteur principal Igor Efimov

Pour encapsuler le tatouage en graphène et le faire adhérer à la surface d’un cœur battant, le graphène a été enfermé dans une membrane élastique en silicone avec un trou pour accéder à l’électrode en graphène. Un ruban d’or de 10 microns d’épaisseur a ensuite été placé sur la couche d’encapsulation comme connexion entre le graphène et l’électronique externe utilisée pour mesurer et stimuler le cœur.

L’épaisseur totale du dispositif était d’environ 100 micromètres, et il a maintenu sa stabilité pendant 60 jours, comparable à la durée des stimulateurs temporaires.

Pour tester le dispositif, les chercheurs l’ont implanté chez un rat et ont constaté qu’il pouvait détecter avec succès les rythmes cardiaques irréguliers puis fournir une stimulation électrique via une série d’impulsions sans affecter les mouvements naturels du cœur. 

Il est à noter que la technologie est optiquement transparente, ce qui signifie que les chercheurs peuvent utiliser une source de lumière optique externe pour enregistrer et stimuler le cœur à travers le dispositif. Cela offre une nouvelle approche pour identifier et traiter les maladies cardiaques et crée de nouvelles opportunités pour l’optogénétique.

Même le graphène imparfait présente de grands avantages

Il y a moins de deux ans, des chercheurs de l’Université technique de Vienne ont développé un modèle informatique de structures de graphène réalistes, qui a montré que les excellentes propriétés électroniques du graphène sont très stables. Cela signifie que même les morceaux de graphène pas parfaitement parfaits peuvent être utilisés pour des applications technologiques.

Ainsi, la propagation du courant électrique dans le graphène est calculée à l’échelle atomique dans un tout petit morceau. Le professeur Florian Libisch de l’Institut de physique théorique de la TU Wien a expliqué à l’époque que les électrons ont plusieurs manières de se déplacer à travers le matériau, et non seulement cela, ils peuvent emprunter plusieurs chemins simultanément, qui peuvent se chevaucher de différentes façons.

Ces chemins s’annulent à des valeurs d’énergie très spécifiques, où la probabilité que les électrons traversent le morceau de graphène est extrêmement faible et le courant électrique est minimal, ce qui est appelé « interférence destructive ». 

La diminution spectaculaire du flux de courant à des valeurs d’énergie très spécifiques est « un effet hautement souhaitable sur le plan technologique », qui peut être utilisé pour traiter l’information à une très petite échelle, à l’image des composants électroniques des puces informatiques, et pour le développement de nouveaux capteurs quantiques.

Ce n’est pas si simple, cependant, car la taille et la forme du morceau de graphène ne sont pas toujours les mêmes. D’autres facteurs comme les atomes indésirables, les atomes qui vibrent, et les nombreuses interactions entre plusieurs électrons, très difficiles à calculer, doivent être pris en compte pour « décrire le matériau graphène de manière réellement réaliste ». 

Ainsi, les chercheurs ont combiné leurs années d’expérience dans la description précise de différents effets dans les matériaux via des modèles informatiques pour développer un modèle complet incluant toutes les sources d’erreur et les effets de perturbation pertinents qui existent dans les graphènes. Cela leur a permis de montrer que les effets souhaités sont visibles même en présence de sources d’erreur. 

L’étude a été importante pour démontrer le potentiel d’utilisation contrôlée des effets quantiques dans le graphène.

Transformer le graphène en minuscules aimants

Parallèlement, des experts allemands ont ajouté un autre aspect aux propriétés diverses du graphène, montrant le potentiel du matériau dans les interrupteurs magnétiques et les dispositifs de stockage.

Des chercheurs de l’Université de Duisburg‑Essen (UDE) ont mené des expériences au Helmholtz‑Zentrum Dresden‑Rossendorf (HZDR), où ils ont tiré de courtes impulsions térahertz (THz) sur de minuscules disques du matériau, les transformant très brièvement en aimants très puissants. Cette découverte pourrait être utile pour développer de futurs interrupteurs magnétiques et dispositifs de stockage.

Ce que les scientifiques ont fait ici, c’est qu’ils ont utilisé des méthodes de semi‑conducteur existantes pour placer des milliers de disques de graphène de la taille de micromètres (μm) sur une petite puce, qui a ensuite été soumise à de courtes impulsions térahertz, le type de rayonnement situé entre les micro‑ondes et l’infrarouge.

Pour la source lumineuse, ils ont utilisé un laser à électrons libres FELBE au HZDR capable de produire des impulsions térahertz ultra‑intenses.

En plus des disques de graphène de taille micrométrique qui se transforment en électro‑aimants, l’équipe a même généré des champs magnétiques de l’ordre de 0,5 Tesla (TSLA ), soit environ 10 000 fois le champ magnétique terrestre, qui n’ont duré que dix picosecondes, soit un centième de milliardième de seconde.

Pour réussir, les chercheurs ont dû polariser les flashs térahertz d’une manière particulière. Des optiques spécialisées ont alors modifié la direction d’oscillation du rayonnement afin qu’il se déplace en hélice dans l’espace.

Lorsque les flashs circulairement polarisés frappent les minuscules disques, les électrons libres qu’ils contiennent commencent à tourner, ce qui transforme essentiellement les disques en petits électro‑aimants.

Le processus simple et hautement efficace, selon les chercheurs, pourrait être utilisé pour des expériences scientifiques afin d’obtenir une compréhension plus détaillée des propriétés des matériaux. Notamment, le champ magnétique est resté unipolaire, ce qui le rend bénéfique pour certaines expériences.

À l’avenir, ces minuscules aimants pourraient même trouver une application dans la technologie de stockage magnétique et la spintronique.

Investir dans le graphène

Une entreprise qui se démarque dans le secteur du graphène est CVD Equipment Corporation (CVV ). La société conçoit et fabrique des systèmes utilisés dans le dépôt chimique en phase vapeur, une technique clé pour produire du graphène de haute qualité. Et à mesure que les industries continuent d’explorer des applications concrètes du graphène, notamment dans l’électronique et la science des matériaux, le positionnement de niche de CVD pourrait lui conférer un avantage stratégique à mesure que la demande augmente.

CVD Equipment Corporation (CVV )

La société américaine CVD Equipment développe des systèmes de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), qui sont utilisés pour créer des matériaux avancés tels que le graphène, ainsi que des revêtements employés dans les secteurs de l’énergie, de l’aérospatiale et d’autres industries.

Elle propose également de la R&D sur le graphène et des équipements de production spécialisés pour fabriquer du graphène de haute qualité à grande échelle.

L’entreprise opère à travers deux segments. Le premier est CVD Equipment, qui conçoit et fabrique des équipements de transport de vapeur physique, de dépôt chimique en phase vapeur et de procédés thermiques. Le second est Stainless Design Concepts (SDC), dont le focus est sur les systèmes de contrôle ultra‑purs de gaz et de livraison chimique.

En ce qui concerne la performance boursière de CVD, à la date de rédaction, l’action s’échange à 2,84 $, en baisse de 34 % depuis le début de l’année. Elle a ainsi atteint une capitalisation boursière de 20 millions de dollars avec un BPA (TTM) de -0,28 et un PER (TTM) de -10,43.

Concernant les finances de l’entreprise, CVD a déclaré un chiffre d’affaires de 26,9 millions de dollars pour l’ensemble de l’année 2024, soit une hausse de 11,5 % d’une année sur l’autre. Cette progression a été principalement tirée par une augmentation des revenus provenant de contrats aérospatiaux en cours, du segment SDC, et des 0,8 million de dollars de ventes finales du segment MesoScribe, qui a clôturé ses activités l’an dernier.

La marge brute de CVD Equipment a bondi de 2,6 % pour atteindre 23,6 % en 2024. La perte d’exploitation pour la période était de 2,4 million de dollars, et la perte nette de 1,9 million de dollars, soit 0,28 $ par action de base et diluée.

L’an dernier, la société a également enregistré une hausse de 8,9 % des réservations de nouvelles commandes, qui ont atteint 28,1 millions de dollars, tandis que le carnet de commandes à la fin de l’année était de 19,4 millions de dollars.

« En 2024, nous continuons de constater une reprise continue de nos marchés aérospatiaux et de défense, » a déclaré le PDG Manny Lakios, tout en notant que le marché du carbure de silicium reste « défiant en raison de la surcapacité et du déclin mondial des prix des plaquettes. »

Dernières nouvelles sur CVD Equipment Corporation

Conclusion

Connu pour être léger, flexible, résistant et possédant une haute conductivité électrique, le graphène a été largement étudié et utilisé pour des applications dans les secteurs de l’énergie, de l’électronique et de la santé.

Comme nous l’avons souligné précédemment, plusieurs développements passionnants, tels que les colliers de parole silencieuse et les tatouages de surveillance cardiaque, élargissent constamment le monde du graphène. Aujourd’hui, la découverte récente de l’effet accordéon dans le graphène ajoute une autre propriété : une extensibilité accrue, qui montre la compatibilité de ce matériau magique avec les dispositifs portables.

Associé à ses propriétés électriques, mécaniques et biocompatibles supérieures, le graphène est un matériau très prometteur pour alimenter les prochains wearables intelligents de nouvelle génération !

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Études référencées :

1. Joudi, W., Windisch, R. S., Trentino, A., Propst, D., Madsen, J., Susi, T., Mangler, C., Mustonen, K., Libisch, F., & Kotakoski, J. (2025). Adoucissement mécanique dominé par la corrugation du graphène à défauts ingénierés. Physical Review Letters, 134(16), 166102. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.166102

2. Tang, C., Xu, M., Yi, W., Zhang, Y., Wang, J., Li, H., & Zhao, Y. (2024). Capteurs de contrainte textiles ultra‑sensibles redéfinissent les interfaces de parole silencieuse portables avec une haute efficacité d’apprentissage automatique. NPJ Flexible Electronics, 8, 27. https://doi.org/10.1038/s41528-024-00315-1