Une nouvelle classe de matériaux cristallins à deux dimensions (2D) a été récemment identifiée et analysée. La matière première de cette nouvelle classe est le graphene, une seule couche atomique du carbone. Ce nouveau matériau a un certain nombre de propriétés uniques, ce qui le rend intéressant pour les études fondamentales de physique et les applications futures en électronique et nanotechnologie.

Les propriétés électroniques de ce matériau-2D conduit pour le moment à un quantum inhabituel à effet Hall. Il s'agit d'un conducteur transparent de l’épaisseur d’un atome. Il donne également lieu à des analogies avec la physique des particules, y compris une forme exotique de tunnel qui a été prédit par le physicien suédois Oscar Klein. En outre le graphene a un certain nombre de propriétés mécaniques et électriques très remarquables. Il est sensiblement plus résistant aux forces mécaniques que l'acier. Sa conductivité thermique et électrique est très élevée et il peut être utilisé comme un conducteur souple. Le Prix Nobel de Physique 2010 rend hommage à deux scientifiques, qui ont fait la contribution décisive à cette évolution et qui sont Andre K. Geim et Konstantin S.Novoselov à l'Université de Manchester en Royaume-Uni. Ils ont réussi à produire, isoler, identifier et caractériser du graphene. Différentes formes de carbone

Le carbone est sans doute l'élément le plus fascinant dans le tableau périodique. Il est la base de l'ADN et de toute vie sur terre. Le carbone peut exister sous plusieurs formes différentes. La forme la plus commune de carbone est le graphite, qui se compose de feuilles empilées de carbone avec une structure hexagonale. Sous haute pression le carbone devient diamant. Une nouvelle forme de carbone moléculaire est dite les fullerenes. Le plus commun, appelé C60, contient 60 atomes de carbone et ressemble à un ballon de football (ballon de soccer), composé de 20 hexagones et 12 pentagones qui permettent à la surface pour former une sphère. La découverte de flullerenes a reçu le prix Nobel de chimie en 1996.

Il est bien connu que le graphite est constitué de feuilles de carbone de forme hexagonale qui sont empilés les uns sur les autres, mais on croyait qu’on pouvait jamais isoler une seule feuille. C’était une surprise pour la communauté des physiciens, quant en 2004, Konstantin Novoselov, Andre Geim et leurs collaborateurs ont montré que cette couche pouvait être isolée et qu'elle était stable. Cette seule couche de carbone est ce que nous appelons graphene.

Le graphene étant un cristal bidimensionnel les électrons se déplacent sur le graphene à une vitesse de 1 000 km•s-1, soit 30 fois la vitesse des électrons dans le silicium. Grâce encore à ses propriétés de cristal bidimensionnel, un transistor de graphene ne s'échauffe pas de ce fait les transistors en graphene sont potentiellement capables de détrôner les transistors en silicium, ouvrant la voie à des ordinateurs plus performants car plus rapides et plus petits. Étant pratiquement transparent et aussi bon conducteur que le cuivre, le graphene peut servir à réaliser des écrans tactiles, des panneaux lumineux et probablement des cellules solaires.

On s’attend aussi, lorsque seulement 1 % de graphene est mélangé à de la matière plastique, à ce qu’il la rende électriquement conductrice. Sa résistance thermique devrait augmenter de 30˚C, ainsi que sa résistance mécanique (on sait que le graphene lui-même est 200 fois plus résistant que l’acier à la traction). D’intéressants matériaux composites au graphene devraient apparaître dans un avenir proche, avec des applications dans les satellites, les avions et les voitures et le coprs humain

D'un point de vue plus théorique, la mécanique quantique a son mot à dire. En effet, bien que les électrons se déplacent dans le graphene 300 fois plus lentement que la lumière, les conditions auxquelles ils sont soumis imposent de les décrire mathématiquement par l'équation de Dirac, comme pour une particule relativiste presque sans masse !

En conclusion, cette découverte permettra à l’humanité d’avancer dans le domaine de l'électronique, l’informatique et la mécanique mais elle ouvre aussi une porte vers la fabrication de nouvelles armes super destructrices pour l 'Homme et l'environnement.

Sources :

• Wikipedia


• Nobelprize.org  Article [EN]