Graphène materiau d'avenir 2014

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Graphène matériaux prometteur pour l'industrie et la vie courante.

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Graphène materiau d'avenir 2014

  1. 1. Graphène materiau d'avenir. CNAM Paris 9 Octobre 2014 Annick Loiseau, Laboratoire d'étude des micro structures. ONERA - CNRS Unité mixte à Chatillon, trois thématiques structures de basses dimensionalité, relation des structures et de la plasticité. Giancarlo Faini, Laboratoire de photonique et Nanostructures. CNRS Recherche fondamentale et matériaux. Physique des Nano structures, étude à basse température des supra conducteurs. Ouverture de la conférence. Mme Zanetti. Un cristal tout à fait particulier: le cristal qui fait rêver les chercheurs. Il peut réaliser des choses que l'on imaginait pas. Cristal Synthétique en deux dimensions. Giancarlo Faini Le Monde des Nanos Du Carbone au Graphène Les Applications Le Contexte français et européen Un grain de beauté égal un milion de nanomètre. La taille d'un cheveu est cent microns. Quatre atomes de silicium égal un nanomètre. Pour l'observation la longueur d'onde doit être comparable à l'objet observé. Un objet est nano si une dimension est de l'ordre du nanomètre, et ses caractéristiques doivent liées à cette dimension. On peut construire un nano tube de carbone, et une des dimensions d'une membrane peut être bidimensionnelle du fait d'une épaisseur nano. Une épaisseur nano est importante dans les effets physiques et des propriétés électroniques. Dans un fil quantique c'est la physique quantique qui gère la circulation électronique. Dans les vitraux ce sont les particules métalliques qui font varier les couleurs du verre. Les marqueurs médicaux peuvent être créés grâce au matériaux nano. Propriétés mécanique, conduction, optique, thermique sont modifié par utilisation des matériaux et dimensions nano. Surface et volume influent sur les propriétés et l'on fait donc varier les dimensions selon les caractéristiques recherchées. Pour les laboratoires c'est très intéressant de modeler la matière à la dimension nano pour étudier les réactions Des structures à cette échelle. La redécouverte de la photographie donne une impulsion à la micro électronique. Einstein avait estimé en 1905 qu'un molécule de sucre mesurait 1 Nanomètre. Les technologies de nanoscience ont permis un développement phénoménal du stockage informatique en 40 ans. Le but: mettre 24 Volumes de l'encyclopédie dans une tête d'épingle. Des techniques ont été développées pour le contrôle de ce qui est créé et ce que l'on veut regarder, ou en créant ce que l'on veut regarder à l'échelle nano.
  2. 2. Annick Loiseau Graphène vient du grec ancien: écrire. Graphite assemblé par hexagones et distance carbone-carbone très courte et très résistente. En revanche on peut cliver les plans facilement et écrire avec. Diamant est isotrope, très dur et isolant. Trois formes: molécule de fullerène assemblé par des pentagones 3D. Nanotube de diamètre nano et plusieurs mm de long 2D. Graphêne est simplement un plan de graphite qui a été effeuillé par retrait d'un scotch donc 1Dimension. On s'en rend compte par microscope tunnel car la vision change quans il reste une seule couche de matériau. Pourquoi l'engouement? Le graphite est très anisotrope il faut chauffer beaucoup por rompre les liaisons. Le graphite est un semi métal. Quand une bande d'énergie est très dense elle est conductrice d'électricité et en revanche elle est isolante s'il y a une grand gap ou semi-conductrice si le gap est petit. L'énergie est une masse d'électron se déplaçant dans une bande. Paul Dirac a été le premier à décrire le comportement de déplacement de 1000 km/S. Les électrons se déplacent sans masse effective dans la structure du graphène. La mobilité dans les bandes d'énergie du graphène est cent fois supérieure au meilleur conducteur. La conductivité à 4 K peut être quantifiée et mesurée même à température ambiante. La contrainte admissible sur la graphène est équivalente à deux tonnes sur l'épaisseur d'un film alimentaire. Le nitrure de Bore est comparable, sulfure de tungstène, sulfure de Molybdène et d'autres matériaux dont les plans sont peu liés entre eux. L'innovation est telle que l'on peut empiler une couche de graphène sur une couche de sulfure, la couche étant elle-même épaisse d'un seul atome. On peut apporter des matériaux en craquant une seule mollécule sur une couche de graphène et ce matériaux se réorganise en surface. Giancarlo Faini Les applications sont dans tout les domaines industriels et domestiques du fait que l'on puisse améliorer les surfaces et propriétés des matériaux. Une réalisation sur des polymères est un colage entre deux films cuivre et graphène pour des objets tactiles en particulier. On utilise un élastomère pour manipuler ces couches et les déposer sur d'autres surfaces. On a introduit des nano tubes dans des membranes de dimension très fine et donc ces propriétés très innovantes sont la résistance et la souplesse. On peut déposer du graphène et contrôler le diamètre des trous de l'ordre du nanomètre. La rétention d'atomes dans la filtration d'eau salée ou le séquençage d'ADN sont possibles. Les études sont en cours. Pour le photovoltaïque on peut augmenter le passage de lumière vers des cellules de silicium et même au sein des cellules. Pour les batteries souples à base de graphène les démonstrations ont déjà eu lieu pour allumer des LED. Les propriétés des matériaux sont altérées avec les dimensions fines et l'on aura des besoins de nouveaux matériaux pour les applications de l'électronique rapide, ou haute fréquence. On peut également utiliser le spin de l'électron plutôt que la charge électronique actuellement. L'électronique flexible est possible selon les applications développées au CEA et à Cambridge.
  3. 3. Le problème est qu'on ne sait pas couper la conductivité du graphène ce qui ne permet pas de l'utiliser dans des composants classiques. Il y a un projet de 74 organismes partenaires venant de nombreux pays pour la recherche et la production industrielle. Il s'agit de mieux tirer parti de la recherche en développant des applications et instruments liés aux découvertes. Des applications comme l'aviation peuvent bénéficier de l'utilisation de nouveaux matériaux recouverts sur la carlingue afin d'augmenter la capacité de la cage de faradey. Les capteurs peuvent également être beaucoup plus sensibles et miniaturisés en plus de fonctionner de façon différente: lorsque qu'une molécule entre en contact avec le graphène elle modifie ses propriétés et ces modifications deviennent alors le signal de la présence de cette molécule détectée. On peut dire que le graphène était déjà utilisé dans l'industrie pétrolière mais il était alors mal configuré, considéré comme un poison et peu valorisé. Le graphite et par conséquent le graphène était générés par le craquage involontaire de molécules et de la présence de métaux. RDM-ROW Dominique Marc Deschamps http://slideshare.net/reporter/documents

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