Le graphène est un matériau qui possède plusieurs propriétés capables de révolutionner la technologie
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Le graphène est un matériau composé d'une couche bidimensionnelle d'atomes de carbone organisés en structures hexagonales, dont la hauteur équivaut à celle d'un atome. Ce matériau peut être produit en extrayant des couches superficielles de graphite, un minéral abondant sur Terre et l'un des allotropes de carbone les plus courants.
Les liaisons chimiques et l'épaisseur du graphène sont responsables de plusieurs propriétés importantes de cet élément, telles que la résistance mécanique et les conductivités thermiques et électriques. Ces caractéristiques ont attiré les scientifiques et l'industrie de la technologie pour leurs possibilités d'utilisation infinies.
La découverte du graphène
Du graphène bidimensionnel stable a été découvert accidentellement en 2004 par les physiciens russes Andre Geim et Konstantin Novoselov. Cette découverte a garanti aux chercheurs le prix Nobel de physique en 2010. Cependant, l'existence de cet allotrope de carbone est connue depuis 1930.
Propriétés du graphène
Le graphène possède de nombreuses propriétés qui en font un matériau aux multiples applications technologiques. Connaître les principales propriétés de cet allotrope.
Propriétés mécaniques
Le graphène est le matériau le plus résistant jamais connu. Cette résistance provient des liaisons fortes formées entre ses atomes de carbone. Les matériaux largement utilisés dans la construction civile, comme l'acier, ne résistent qu'à un tiers de cette pression.
Une autre propriété intéressante du graphène est son module d'Young élevé, indiquant qu'en plus d'être résistant, ce matériau est très élastique. Par conséquent, il est capable de revenir à sa taille d'origine avec une relative facilité.
Les petites zones de chaque hexagone de carbone sont responsables de la haute imperméabilité du graphène, qui peut être utilisé comme un petit réseau capable de contenir des gaz qui fuient facilement de leurs conteneurs, comme l'hydrogène gazeux. En plus d'être extrêmement résistant, le graphène est très léger: sa densité est de 0,77 g / m², soit environ mille fois plus légère qu'une feuille de papier.
Propriétés électriques
Les électrons sont capables de se propager dans le graphène presque librement sans déviation ni collision. En raison de la structure hexagonale des liaisons carbone, les électrons se déplacent à l'intérieur de ces couches minces à des vitesses relativistes, c'est-à-dire proches de la vitesse de la lumière.
À température ambiante, la résistivité électrique du graphène est la plus faible qui soit. Ainsi, cet élément peut être considéré comme le meilleur conducteur métallique.
Propriétés optiques
Comme il laisse passer 97,5% de la lumière incidente, le graphène est invisible à l'œil nu. Ce comportement optique provient des propriétés relativistes des électrons dans le graphène. Cela implique qu'en empilant plusieurs feuilles de graphène, il est possible de produire un corps parfaitement noir, capable d'absorber la quasi-totalité du rayonnement incident sur celui-ci.
Propriétés thermiques
En raison de ses propriétés électriques, le graphène est un excellent conducteur thermique. Ce matériau est capable de dissiper la chaleur plus rapidement que tout autre matériau connu. De plus, certaines études suggèrent que sa température de fusion est de 3851 ° C.
Par conséquent, les principales propriétés et caractéristiques du graphène sont:
- Il est extrêmement fin: il a l'épaisseur d'un atome;
- Il est très résistant: environ 200 fois plus résistant que l'acier;
- C'est flexible;
- Il est étanche;
- Il est transparent: il transmet environ 97,5% des rayons lumineux;
- Il a une conductivité thermique et électrique élevée: conduit l'énergie électrique 100 fois plus vite que le cuivre. Des études ont également montré que la vitesse à laquelle les électrons traversent le graphène est de 1000 km / s (60 fois plus rapide que le silicium);
- Il a une dureté élevée
- Il a moins d'effet Joule: il perd moins d'énergie sous forme de chaleur lorsqu'il conduit des électrons.
Applications du graphène
En raison de ses propriétés et caractéristiques, le graphène est l'un des matériaux les plus prometteurs connus. Ses applications technologiques sont vastes, mais limitées par la capacité à produire ce matériau à grande échelle. Des dispositifs tels que les écrans LED pliables, les cellules photovoltaïques, les transistors plus efficaces, les supercondensateurs, les dissipateurs de chaleur et les super batteries de téléphones portables sont quelques exemples de technologies développées grâce à l'utilisation du graphène.
De plus, le graphène peut être appliqué dans d'autres domaines d'étude, tels que:
- Les membranes formées de graphène sont capables de dessaler et de purifier l'eau de mer
- Les filtres en graphène sont capables de réduire les émissions de CO2 en séparant les gaz générés par les industries et les entreprises
- Les capteurs biomédicaux beaucoup plus rapides sont fabriqués à partir de graphène et peuvent détecter des maladies, des virus et d'autres toxines
- Les matériaux de construction, tels que le béton et l'aluminium, deviennent plus légers et plus résistants avec l'ajout de graphène
- La coloration des cheveux par pulvérisation de graphène dure jusqu'à 30 lavages
- Puces plus petites et plus résistantes grâce au remplacement du silicium par du graphène
- Les cellules solaires ont une meilleure flexibilité, plus de transparence et des coûts de production réduits grâce à l'utilisation de graphène
- Batteries avec un stockage d'énergie meilleur et plus rapide
- Les vélos peuvent avoir des pneus et des cadres plus fermes pesant 350 grammes en utilisant du graphène
Eau potable
Emissions de CO2
Détection des maladies
Construction
Esthétique
Microdispositifs
Énergie
Électronique
Mobilité
Parmi les études liées au graphène, nous soulignons celles qui impliquent le développement de nouveaux câbles de transmission de données pour Internet. Selon une étude publiée par la revue Nature Communication , l'idée est de profiter de toute la vitesse atteinte par les électrons dans le graphène - les cellules s'y déplacent des centaines de fois plus vite que dans les câbles actuellement utilisés.
Importance du graphène pour le Brésil
Le Brésil s'inscrit dans la course technologique à la recherche de méthodes de production de graphène moins chères et plus efficaces. Selon le rapport du Département national de la production minérale (DNPM), le marché du graphène devrait être l'un des plus rentables au monde, avec le potentiel d'atteindre jusqu'à 1 billion de dollars en 10 ans. De plus, le Brésil possède les plus grandes réserves de graphène au monde.
Prix du graphène
En raison de ses moyens d'obtention complexes, le prix du graphène est encore élevé. Les techniques les plus courantes qui permettent la production de couches pures et minces de ce matériau fonctionnent avec le dépôt de vapeur sur des substrats métalliques, tels que des feuilles de cuivre.
Actuellement, une feuille de graphène de 5,08 cm sur 2,54 cm peut coûter jusqu'à 275 dollars: une moyenne de 21 dollars par centimètre carré. Cependant, des facteurs tels que les impuretés et les asymétries peuvent réduire considérablement ce prix. Le graphène peut également être obtenu à partir du graphite: avec 1 kg de graphite, qui coûte environ 1 dollar, il est possible de produire 150 g de graphène, dont la valeur dépasse 15 mille dollars.
Faits sur le graphène
- Le projet phare de l'Union européenne sur le graphène a alloué environ 1,3 milliard d'euros à la recherche liée au graphène, aux applications et au développement de la production à l'échelle industrielle. Au total, 150 institutions de 23 pays participent à ce projet.
- La première valise développée pour le voyage spatial a du graphène dans sa composition. Son lancement est prévu pour 2033, date à laquelle la NASA entend effectuer des expéditions vers Mars.
- Borophene est le nouveau concurrent du graphène. Ce matériau, découvert en 2015, est considéré comme une version améliorée du graphène, étant encore plus flexible, résistant et conducteur.
Processus d'obtention du graphène, ses applications et son importance pour le Brésil
