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Le graphène, un matériau miracle qui attend son marché

Date de publication
25 janvier 2017
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Graphite

Découvert il y a 13 ans, le graphène présente des propriétés mécaniques, thermiques et électroniques exceptionnelles. Mais les défis restent importants.

Elle a tout pour plaire aux industriels. Cette feuille de carboGraphènene de l’épaisseur d’un atome a une résistance à la rupture 200 fois supérieure à celle de l’acier, alors qu’elle est 6 fois plus légère. Elle est un million de fois plus fine qu’un cheveu. Elle est pliable à volonté et extensible de plus de 20%.

Ce matériau « magique » est également transparent, imperméable à tous les gaz et extrêmement conducteur. Il est notamment meilleur conducteur que le silicium, matériau utilisé notamment pour fabriquer les microprocesseurs des ordinateurs.

Il pourrait aussi révolutionner les technologies de stockage d’énergie. En février 2016, une jeune compagnie espagnole, Graphenano, a présenté, lors d’un salon à Madrid, une batterie automobile d’une autonomie de 800 kilomètres pour un poids de 100 kilogrammes…

Enfin, on trouve du graphène, beaucoup de graphène, dans nos mines… de crayon.  Plusieurs millions de couches par mine. Tant qu’il y aura du graphite (80% des réserves mondiales – 800 millions de tonnes – se trouvent en Chine), le graphène sera donc disponible pour tous les grands acteurs de la recherche et pour ceux de l’industrie (Airbus, Thalès, Samsung, IBM et Tesla, notamment).

Le graphène devrait permettre de créer des matériaux composites potentiellement ultralégers et résistants susceptibles de remplacer l’acier

L’Europe croit en l’avenir du graphène

En janvier 2015, l’Union Européenne a classé le graphène parmi  les « dix technologies qui pourraient changer nos vies ». Premier nanomatériau bidimensionnel créé par des scientifiques, il affole les chercheurs: des centaines de laboratoires dans le monde y consacrent une grande partie de leurs temps et de leur argent.

L’enjeu industriel est à la hauteur. « Le graphène devrait permettre de créer des matériaux composites potentiellement ultralégers et résistants susceptibles de remplacer l’acier. Il existe un important potentiel d’utilisation du graphène dans l’électronique à haute vitesse et les circuits optiques, les cellules photovoltaïques, les capteurs biologiques, et dans le développement de solutions de catalysation et de filtration plus sophistiquées pour l’industrie chimique » expliquent les auteurs de ce rapport.graphène

Sa légèreté et sa flexibilité pourraient permettre la fabrication d’écrans plus flexibles, la création de nouvelles lentilles de contact, y compris de vision nocturne, voire de développer des puces informatiques plus petites et plus résistantes à la hausse concomitante de chaleur produite.

« Les chercheurs croient qu’ils seront aussi capables de produire des transistors à base de graphène capables de fonctionner à des fréquences beaucoup plus élevées que la silicone. Le graphène pourrait aussi être utilisé pour produire des photodétecteurs plus efficaces dans les super-ordinateurs à haute puissance qui utilisent la lumière au lieu des électrons pour transmettre les données.

Il pourrait aussi modifier les propriétés d’autres matériaux, par exemple grâce au développement de la nanofiltration qui exploite l’imperméabilité du graphène, ce qui révolutionnerait l’efficacité des technologies et des processus de désalinisation et de purification, en particulier dans les pays moins développés » poursuivent-ils.

Des centaines de millions d’euros investis dans le graphène

L’Europe avait pris de l’avance dans cette technologie-clé. C’est à l’Université de Manchester, en 2004, que les physiciens André Geim et Kostya Novoselov, avaient en effet découvert les propriétés du graphène après avoir «pelé» de manière assez artisanale un morceau de graphite à l’aide d’un ruban adhésif. Ils ont obtenu le prix Nobel dès 2010, ce qui est extrêmement rapide en physique.

Depuis lors, le nombre de prises de brevets autour des applications liées à l’usage du graphène s’est accru de manière exponentielle… en Chine. Selon un rapport de l’Office Britannique de la propriété intellectuelle (2013), entre juillet 2011 et février 2013, le nombre de brevets relatifs au graphène a triplé dans le monde. Avec plus de 1 500 « familles » de brevets, la Chine est de loin le premier pays, alors que l’Europe, pourtant à l’origine de la découverte, en a déposé moins de 500. Ces 5 dernières années, Sirris a dénombré 13 familles de brevets centrés sur le graphène déposés par des entreprises et organismes belges. Solvay a déposé près de la moitié de ces documents et traite essentiellement de nanocomposites polymères. C’est également le domaine d’innovation de Total. Le centre IMEC, avec ou sans la KU Leuven, travaille dans les applications électroniques du graphène. L’ULB a déposé avec un partenaire étranger un brevet sur un dispositif de transfert thermique.

graphene institutePour compenser ce retard, l’Union européenne a choisi de « doper » l’industrie dans ses efforts de recherche et développement (R&D). La Commission a ainsi mis en place en 2015 le « Projet Graphène », doté d’un milliard d’euros sur dix ans. L’UCL – avec son Institut de la matière condensée et des nanosciences (IMCN) –  est la seule université belge à participer à cette aventure. Le projet réunit 142 acteurs industriels, académiques et groupes de recherche répartis dans 23 pays de l’Union. La Grande-Bretagne, avec l’Union, a libéré 61 millions de livres pour créer, à Manchester bien sûr,  le National Graphene Institute. Inauguré en 2015, il offre 1500 m² de salles blanches, une salle jaune pour la lithographie, de très nombreux spectromètres et 60 arrivées de gaz…

L’industrie attend une production de masse et une baisse des prix du graphène

Pour que toutes ces innovations quittent le laboratoire pour le marché, un obstacle important demeurait:  l’absence de techniques adaptées à une production à grande échelle.

Le projet GRAFOL (Graphene chemical vapour deposition: Roll to roll technology), financé par l’UE, a été mis en place pour résoudre ce problème, en combinant une technique courante de fabrication de masse avec une technique efficace de croissance du graphène, et en utilisant une méthode sophistiquée de spectroscopie pour évaluer la croissance du graphène.

Le principal résultat de GRAFOL a été le développement d’un outil de production rouleau-à-rouleau (R2R) capable de produire à l’échelle industrielle des feuilles de graphène de grande taille. Fonctionnant à la pression ambiante et à une température réduite, il a été identifié comme le meilleur moyen de fabriquer à bas coût ce matériau en carbone monocouche.

« Et puis, si le graphène en tant que tel a bien des propriétés exceptionnelles, explique Fabienne Windels,
Coordinator Technology Watch and Intellectual Property chez Sirris, une autre des grandes difficultés en dehors des applications électroniques est de parvenir à conserver ce niveau de performance dans des matériaux et objets macroscopiques. De nombreux projets de recherche ont été activés en Europe dans ce sens. Sirris, par exemple, avait lancé en 2015 un projet Cornet sur les applications du graphène dans les polymères et composites.

D’autres développements devraient permettre de se rapprocher des applications industrielles du graphème. Toutefois, selon Deloitte, le graphène restera encore ces prochaines années en phase de recherche et de prototypage.  « Le principal défi réside dans la fabrication de grandes quantités de graphène, dans divers formats et à un prix abordable, avec des rendements efficaces et une pureté suffisante pour ne pas altérer les propriétés chimiques souhaitées du graphène. » Même si dès aujourd’hui le graphène peut déjà être incorporé dans des produits d’une valeur de plusieurs milliards de dollars par année.

Entre des recherches menées en laboratoire autour de matériaux innovants et l’arrivée de réelles applications industrielles avec un seuil de rentabilité, il peut s’écouler de très nombreuses années.

Prenons l’exemple des nanotubes de carbone et de Nanocyl, l’entreprise wallonne qui peut se targuer de produire l’un des meilleurs produits actuellement disponibles sur le marché. Cette ancienne spin-off des universités de Namur et Liège, créée en 2002, était et reste l’un des grands espoirs de la nouvelle économie wallonne, basée sur l’innovation.

NanocylPourtant, dans une interview accordée à la RTBF, son président du conseil d’administration, Jean Stephenne, reconnaissait que c’était plus compliqué que prévu. L’entreprise a accumulé les pertes – une trentaine de millions depuis sa création – et à dû réduire sa voilure en termes d’emplois, après le départ de certains actionnaires. Certains concurrents aussi – comme Bayer – ont jeté l’éponge. « Il y a eu trop d’enthousiasme au départ, admet Jean Stephenne. On a sous-estimé la lenteur du développement de nos produits et aussi la difficulté de convaincre les industriels de changer leurs procédures pour intégrer notre technologie. »

« Nous nous concentrons sur quatre cibles, résume Jean Stephenne : l’électronique, l’automobile, les batteries et le caoutchouc pour les pneumatiques. Dans les deux premiers secteurs, les ventes augmentent et nous commençons à avoir des clients récurrents, ce qui est très bon signe. Notre chiffre d’affaires va augmenter de plus de 20 % cette année. » Mais Nanocyl devraient rester encore en perte pendant deux ans. « Nous visons l’équilibre en 2018 ».

Les matériaux innovants s’exposent en mars

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Notez déjà les dates: le salon se tiendra du 28 au 29 mars prochains.

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