Que savez-vous des matériaux nanométriques bidimensionnels 

Dr. Omar Mehidi Dawood Habib - Département de physique

esp.omarm.dawood@uoanbar.edu.iq

Page officielle de l'auteur

Les matériaux nanométriques peuvent être définis comme des matériaux ayant, au moins, une dimension extérieure à l'échelle de 1 à 100 nanomètres. Il existe de nombreuses applications pour l'utilisation des matériaux nanométriques qui s'étendent à travers diverses industries, des soins de santé et des cosmétiques à la protection de l'environnement et à la purification de l'air. En conséquence, si toutes les dimensions d'un matériau sont mesurées à l'échelle nanométrique, ce matériau est classé comme un matériau nanométrique à dimensions zéro (D0). Les nanoparticules sont les matériaux les plus courants pour les matériaux D0, et le fullerène est une forme de carbone ayant une grande molécule sphérique composée d'une cage creuse d'atomes, le buckminsterfullerène étant le premier exemple connu.

Si l'une des dimensions du matériau est en dehors de l'échelle nanométrique, ces matériaux nanométriques sont classés comme des matériaux unidimensionnels (D1), les nanotubes de carbone (CNT) et les nanofils étant des exemples courants de cette catégorie. Les nanotubes de carbone (CNT) sont des tubes fabriqués en carbone dont les diamètres sont généralement mesurés en nanomètres.

Si le matériau a deux dimensions en dehors de l'échelle nanométrique et une seule dimension avec une épaisseur unique ou quelques couches atomiques, ces matériaux nanométriques sont classés comme des matériaux nanométriques bidimensionnels (D2). Cette catégorie comprend plusieurs formes, dont les plus célèbres sont le graphène, le phosphore, le disulfure de tungstène, le disulfure de molybdène et d'autres formes.

La dernière classification est celle des matériaux nanométriques tridimensionnels (D3). Ce sont des matériaux qui ne se limitent pas à l'échelle nanométrique dans aucune dimension. Cette catégorie comprend des poudres en vrac, des dispersions de nanoparticules, des faisceaux de nanofils, des nanotubes ainsi que des couches nanométriques multiples.

 Chaque catégorie de matériaux nanométriques mentionnée ci-dessus a des applications importantes dans divers domaines de la vie, mais ce qui nous intéresse est l'étude des matériaux nanométriques bidimensionnels (D2). Nous allons nous concentrer sur le matériau graphène.

Il est important de mentionner que le graphène est le bloc de construction fondamental des autres matériaux graphiques mentionnés ci-dessus, c'est-à-dire : Si les feuilles de graphène sont liées les unes aux autres, nous pouvons fabriquer des matériaux tridimensionnels comme le graphite ; si une feuille de graphène est enroulée, nous pouvons fabriquer un nanotube de carbone, un matériau 1D ; si une feuille de graphène est découpée et pliée en forme sphérique, nous pouvons fabriquer un matériau fullerène, un matériau 0D.

Le premier matériau bidimensionnel connu est le graphène, qui est constitué d'une seule couche d'atomes de carbone disposés en un réseau hexagonal. Pour comparer avec le matériau 0D (fullerène) et le matériau 1D (nanotubes de carbone), la recherche sur les matériaux bidimensionnels (graphène) a rapidement augmenté concernant les autres propriétés du carbone. Selon la base de données Scopus (recherche par mot-clé "graphène" au 18 mars 2019), les publications sur le graphène sont passées de 3772 articles en 2010 à 21 439 articles en 2018. Le nombre total de publications concernant le graphène est de 132 628 documents. Cependant, ce n'est pas seulement le graphène bidimensionnel qui a été largement appliqué dans une grande variété d'applications potentielles, mais aussi d'autres matériaux bidimensionnels comme le disulfure de tungstène, le disulfure de molybdène et le nitrure de silicium ouvrent de nouvelles opportunités pour les dispositifs futurs.

Le graphène est fabriqué de plusieurs manières. Nous allons aborder brièvement certaines d'entre elles

(1)- La première méthode est la méthode d'exfoliation mécanique, utilisée par les chercheurs Novoselov et Geim en 2004 de l'Université de Manchester au Royaume-Uni, pour obtenir le premier matériau bidimensionnel, le graphène. Depuis lors, cette méthode est largement utilisée dans la fabrication de matériaux bidimensionnels en raison de sa flexibilité et de son faible coût. L'exfoliation mécanique est un processus simple de fabrication de matériaux qui produit une à plusieurs couches de flocons cristallins bidimensionnels tout en préservant leur structure cristalline et leurs propriétés. Un ruban adhésif est utilisé pour exfolier une couche épaisse de graphite, de sorte que ces couches exfoliées soient déposées sur un substrat pour être ensuite étudiées et envisagées pour leurs applications potentielles. L'exfoliation mécanique est une méthode peu coûteuse pour produire des matériaux bidimensionnels, idéale pour l'analyse fondamentale. Cependant, cette technique n'est pas bien évolutive pour les flocons bidimensionnels.

(2)- La méthode d'exfoliation chimique par la méthode de Hummers modifiée est l'une des méthodes courantes pour la croissance de l'oxyde de graphène en utilisant des agents oxydants appropriés à partir de graphite oxydé. Cette méthode produit une grande quantité de produits de graphène et est peu coûteuse.

(3)- La méthode d'exfoliation électrochimique repose sur la formation de produits de graphène à partir d'une tige de graphite ou de graphite hautement graphitique (HOPG) en utilisant l'électricité pour exfolier la tige de graphite ou le HOPG immergé dans des solutions électrolytiques.

(4)- La méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) fournit des produits de graphène de haute qualité avec des couches de graphène pouvant être contrôlées sur une large échelle [3, 4]. En général, le méthane (CH4) et l'acétylène (C2H2) ont été utilisés comme source de carbone pour la croissance du graphène sur une mousse de cuivre (Cu) ou de nickel (Ni) à haute température.

 Propriétés du graphène

Le graphène est un matériau aux propriétés intéressantes. Ces propriétés, combinées à l'abondance du carbone dans la nature, ont fait du graphène un matériau très étudié avec un potentiel énorme.

Les principales propriétés du graphène sont :

1- Haute conductivité thermique

2- Haute conductivité électrique

3- Grande flexibilité et ductilité

4- Haute dureté

5- Haute résistance. Le graphène est environ 200 fois plus fort que l'acier, et sa résistance est comparable à celle du diamant, mais il est beaucoup plus léger.

6- Non affecté par le rayonnement ionisant

7- Capable de générer de l'électricité par exposition à la lumière du soleil

8- Matériau transparent

9- Haute densité qui ne permet pas le passage des atomes d'hélium, mais permet le passage de l'eau, qui s'évapore à la même vitesse que si elle était dans un récipient ouvert.

10- Effet antimicrobien. Les bactéries ne peuvent pas y croître.

11- Faible effet Joule, chauffage lors du passage des électrons.

12- Faible consommation d'électricité par rapport à d'autres composés.

Applications du graphène

Bien qu'il ait été découvert relativement récemment, le graphène a été largement testé dans la fabrication de nombreux dispositifs différents, certains en phase de développement précoce, d'autres déjà sur le marché. En raison de sa haute transparence et de sa haute conductivité électrique, le graphène est très attrayant en tant que conducteur transparent, qui peut être une alternative moins nuisible pour l'environnement à l'oxyde d'indium-étain (ITO). En raison de sa flexibilité, le graphène peut également être utilisé dans des écrans flexibles. Les propriétés électriques du graphène sont également exploitées dans la création de transistors à effet de champ (FET), de dispositifs de détection optique, de cellules photovoltaïques, de systèmes nanomécaniques (NEMS), de supercondensateurs flexibles et de batteries lithium-ion flexibles. En plus de ses propriétés électriques, ses propriétés chimiques et thermiques le rendent utile dans des capteurs de contrainte, des capteurs de gaz, des capteurs de température, des capteurs biomédicaux et des capteurs de flux. La société Huawei, fabricante de smartphones, a commencé à utiliser le graphène dans certains smartphones comme dispositif de refroidissement pour les circuits intégrés. Les propriétés mécaniques du graphène ont également été exploitées dans la fabrication de composites à base de graphène et de fibres de graphène. Il est également intégré dans le caoutchouc pour améliorer les propriétés mécaniques.