Les matériaux 2D, comme le graphène, ouvrent de nouveaux horizons en sciences des matériaux

Une découverte accidentelle

La plupart des objets physiques sont constitués de matériaux 3D. Les matériaux solides sont souvent composés soit d’atomes organisés dans des structures 3D prédéterminées formant des métaux et des cristaux, soit d’atomes désorganisés formant d’autres choses.

Pendant longtemps, on a supposé que c’était la seule forme sous laquelle la matière pouvait s’organiser pour former des objets solides. Mais il y a 20 ans (2004), deux chercheurs de l’Université de Manchester, Andre Geim et le professeur Kostya Novoselov, ont découvert un matériau 2D, le graphène. Ils l’ont découvert presque par accident lorsqu’ils ont réalisé qu’un simple ruban adhésif appliqué sur du graphite (ce qui compose les mines de crayon) créait une couche mono‑atomique de carbone.

Cela leur a ensuite valu le prix Nobel de physique en 2010.

Le graphène est constitué d’atomes de carbone, mais au lieu d’être sous forme désorganisée (graphite) ou sous forme de cristal organisé (diamant), dans le graphène les atomes de carbone sont alignés en une couche mono‑atomique, comme une feuille de papier ultra‑fine. Ils ont également découvert qu’il est même possible de former des matériaux à une ou zéro dimension, comme les nanotubes ou les points quantiques.

Source: Ossila

Ce qui rend les matériaux 2D spéciaux, c’est que cette configuration unique s’accompagne de propriétés physiques uniques.

Par exemple, le graphène est extrêmement conducteur, les électrons pouvant circuler en lui à 1/300ᵉ de la vitesse de la lumière. Il est également un très bon conducteur thermique et possède la plus grande résistance à la traction de tous les matériaux, malgré sa transparence optique, n’absorbant que 2 % de la lumière visible incidente.

Source: Visual Capitalist

Bien plus que le graphène

Les propriétés uniques du graphène ont immédiatement fait de lui le centre d’intérêt de milliers de chercheurs désireux de révéler ses propriétés électriques, chimiques et physiques uniques.

Cependant, d’autres se sont demandé si d’autres éléments que le carbone pouvaient également créer des matériaux 2D. La réponse était oui, les prédictions théoriques promettant des centaines de matériaux 2D potentiels différents. Parmi les matériaux 2D les plus importants et étudiés en plus du graphène, nous pouvons en citer quelques-uns :

• Borophene, composé d’atomes de bore, découvert seulement en 2015.
• Goldene, composé d’atomes d’or, produit pour la première fois en 2024.
• Silicene, composé d’atomes de silicium.
• Phosphorène, composé d’atomes de phosphore.

Il semble également que les matériaux 2D n’ont pas besoin d’être constitués d’un seul élément pur — par exemple, des monocouches de disulfure de molybdène (MoS2) ou de nitrure de silicium (Si₃N₄).

D’autres atomes peuvent également être attachés à la monocouche, créant une surface « rugueuse », comme lorsqu’on ajoute de l’hydrogène aux atomes de carbone du graphène pour former le graphane.

By Edgar181 (talk) – Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12091234

En raison de cette extrême diversité de matériaux, les chercheurs ne font que commencer à découvrir le potentiel des matériaux 2D.

Applications – Aspects fondamentaux

En général, ce qui rend les matériaux 2D uniques, c’est que leur structure atomique très organisée permet une configuration particulière de leurs électrons et une liaison étroite entre les atomes.

Cela explique à son tour l’exceptionnelle conductivité électrique (flux d’électrons), la conduction thermique (transfert des niveaux d’énergie entre les atomes) et la résistance physique (liaisons covalentes entre les atomes dues à l’échange d’électrons).

La structure 2D confère également à ces matériaux les plus grandes surfaces spécifiques (surface où les interactions sont possibles) de tous les matériaux connus. Cela en fait d’excellents candidats pour de nouvelles formes de catalyseurs ou, en général, pour participer à des réactions chimiques et électriques.

Supraconducteurs

Comme les électrons circulent presque entièrement librement à la surface des matériaux 2D, ils ont été considérés comme de bons candidats pour la supraconductivité.

La supraconductivité se produit lorsqu’un matériau peut conduire l’électricité sans aucune résistance.

Cela signifie qu’il n’y a pas de perte d’énergie, ce qui pourrait être très utile pour transporter de l’électricité sur de longues distances, mais aussi qu’un courant traversant le matériau ne génère aucune chaleur. Cela le rend incroyablement utile pour toutes sortes d’applications, de l’informatique aux véhicules électriques et pratiquement à toute technologie utilisant l’électricité.

En théorie, la supraconductivité, notamment la supraconductivité à température ambiante, pourrait permettre de maîtriser la fusion nucléaire, propulser des vaisseaux avec de l’électricité, des trains maglev bon marché et ultra‑rapides, des propulseurs de masse pour atteindre l’orbite à très faible coût, etc. (Nous avons exploré plus en détail la question des supraconducteurs à température ambiante dans notre article dédié).

De nombreux matériaux 2D pourraient afficher une supraconductivité dans les bonnes conditions (par ex., température, pression, etc.), notamment :

• Films ultrafins de métaux élémentaires.
• Cuprates.
• Oxydes pérovskites.
• Composés à base de métaux des terres rares à fermions lourds.
• Graphène.
• Séléniure de fer sur des surfaces d’oxyde.
• Conducteurs organiques sur des surfaces métalliques.

Semi-conducteurs

Les semi‑conducteurs sont des matériaux capables de passer sélectivement d’un état conducteur (qui transfère les électrons) à un état isolant (qui bloque les électrons). C’est le principe fondamental sur lequel les transistors en silicium et autres éléments informatiques sont construits, 0 représentant l’absence de courant électrique et 1 la présence de courant.

Plus un semi‑conducteur change d’état rapidement, plus le calcul associé peut être rapide.

Graphène

Au départ, les chercheurs étudiant le graphène pensaient qu’il pourrait remplacer le silicium dans les semi‑conducteurs. Malheureusement, il manque une caractéristique électronique clé appelée « gap de bande ».

Un gap de bande détermine si un matériau sera considéré comme un métal (conduisant l’électricité), un isolant (bloquant l’électricité) ou un semi‑conducteur (pouvant alterner entre conductivité et isolation).

Source: Energy Education

Le problème est que le graphène n’a aucun gap de bande, ce qui empêche son utilisation comme semi‑conducteur.

Cela était vrai jusqu’en 2024, lorsque des chercheurs ont annoncé avoir réussi à créer le premier semi‑conducteur au monde à base de graphène.

« Nous disposons maintenant d’un semi‑conducteur en graphène extrêmement robuste, avec une mobilité dix fois supérieure à celle du silicium, et qui possède également des propriétés uniques indisponibles dans le silicium.

« Nous avons dû apprendre à traiter le matériau, à l’améliorer constamment, et enfin à mesurer ses propriétés. Cela a pris très, très longtemps. »

Goldène

Un autre matériau 2D intéressant est le goldène, essentiellement du graphène mais avec de l’or remplaçant les atomes de carbone.

L’or est déjà couramment utilisé dans les puces et les composants informatiques grâce à ses propriétés extraordinaires, comme la résistance à l’oxydation et une très haute conductivité électrique.

Avec la production en 2024 de la première monocouche de goldène, des propriétés de semi‑conducteur pourraient être ajoutées à la liste.

« Si vous rendez un matériau extrêmement fin, quelque chose d’extraordinaire se produit – comme avec le graphène. La même chose se produit avec l’or. Comme vous le savez, l’or est généralement un métal, mais si une couche ne fait qu’un atome d’épaisseur, alors l’or peut devenir un semi‑conducteur à la place. »

Semi-conducteurs organiques

Les molécules organiques sont constituées d’un squelette de carbone, accompagné d’autres éléments, généralement l’oxygène, l’azote, le soufre, etc.

Récemment, des chercheurs ont découvert qu’ils peuvent contraindre les polymères organiques à rester en configuration 2D et éviter que plusieurs couches s’empilent les unes sur les autres.

Source: POSTECH

Ils ont ensuite utilisé une étape appelée dopage de type p, couramment utilisée dans la production de semi‑conducteurs.

Cela consiste à ajouter des éléments à un matériau semi‑conducteur pour le rendre encore plus conducteur.

Source: Wikipedia by VectorVoyager

Le matériau résultant a été décrit par les chercheurs comme ayant une « conductivité électrique exceptionnelle ».

Ainsi, même si les matériaux comme le graphène sont trop difficiles à produire en masse dans une configuration de semi‑conducteur, ou si le goldène est trop coûteux, les semi‑conducteurs organiques seront probablement là pour permettre l’adoption des semi‑conducteurs 2D dans un avenir proche.

Super‑matériaux

Alors que les propriétés électriques sont au cœur de l’intérêt des scientifiques pour les matériaux 2D, leurs propriétés physiques sont tout aussi impressionnantes.

Par exemple, le graphène est 200 fois plus résistant que l’acier pour une masse équivalente. Le graphène pourrait être intégré au béton, comme l’acier l’est dans le béton armé, créant un béton 2,5 fois plus résistant et 4 fois moins perméable à l’eau. De plus, le graphène ne rouille pas comme l’acier, ce qui rend le béton renforcé de graphène non vulnérable à la « pourriture du béton » causée par l’oxydation du fer, qui limite sévèrement la durée de vie des structures en béton.

By Achim Hering – Own work, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=20269527

L’extrême résistance + la légèreté du graphène et d’autres matériaux 2D pourraient également être utilisées pour créer des armures corporelles meilleures.

Un autre domaine d’application peut être la gestion thermique. Par exemple, des chercheurs ont récemment découvert qu’il est possible de fabriquer un matériau à la fois isolant et rigide (une combinaison rare) en créant des pérovskites hybrides organiques‑inorganiques 2D.

Les matériaux 2D comme le graphène et le nitrure d boron hexagonal pourraient également être utilisés pour dissiper la chaleur dans les appareils électroniques et optoélectroniques.

Enfin, des matériaux 2D ultra‑résistants avancés pourraient être utilisés pour réaliser des infrastructures futuristes, comme par exemple des ascenseurs spatiaux. Cependant, ces étapes ne seront réalistes que lorsque nous aurons trouvé comment produire ces matériaux économiquement, non pas à la gramme ou kilogramme, mais à des millions de tonnes.

Biotechnologie

Un niveau de surface très élevé, une couche extrêmement fine et des propriétés chimiques uniques font des matériaux 2D de bons candidats pour de nombreuses applications de niche dans les industries médicales et biotechnologiques.

Cela inclut la délivrance de médicaments, l’imagerie, l’ingénierie tissulaire, les biocapteurs et les capteurs de gaz.

Un autre facteur dans l’émergence des matériaux 2D dans les applications biologiques est les découvertes récentes qui leur confèrent une caractéristique appelée chiralité.

La chiralité est un terme de chimie qui signifie que les molécules ont une symétrie gauche/droite. La chiralité est une caractéristique importante des molécules organiques, par exemple les acides aminés qui sont les blocs de construction des protéines.

Source: UC Santa Barbara

Dans les molécules, la chiralité peut faire en sorte que les unités biologiques ou chimiques existent en deux versions qui ne peuvent pas être parfaitement appariées, comme une paire de moufles gauche et droite. Elles peuvent se refléter exactement, mais une moufle gauche ne s’adaptera jamais à la main droite aussi bien qu’à la main gauche.

Pr. Dipanjan Pan

Récemment, des chercheurs ont synthétisé des plaquettes de borophène, similaires à la façon dont des fragments de borophène pourraient pénétrer dans la circulation sanguine. Ils ont découvert que les propriétés chirales des différentes versions du borophène interagissaient différemment avec les membranes cellulaires, et pénétraient les cellules de manière différente.

Cela ouvre la voie à la conception de structures de borophène sur mesure pour des applications telles que le « développement d’imagerie médicale à haute résolution avec un contraste capable de suivre précisément les interactions cellulaires ou une meilleure délivrance de médicaments avec des interactions matériau-cellule ciblées ».

Une meilleure compréhension de la façon dont la structure du borophène interagit avec les cellules vivantes aidera également à clarifier son profil de sécurité.

Alors que le profil de santé du borophène est encore évalué, il semble que le graphène puisse même être inhalé en toute sécurité sans aucun risque aigu pour la santé humaine. Ces résultats sont encore très préliminaires mais indiquent probablement que la prolifération rapide des matériaux 2D ne devrait pas entraîner de problèmes de santé publique.

Et plus ils sont biocompatibles, plus il est probable qu’ils puissent être utilisés pour développer des capteurs biologiques ou alimenter des nanorobots dans notre circulation sanguine.

Limites

Fabrication à grande échelle

Même le matériau 2D le plus établi et le premier découvert, le graphène, reste largement le domaine des laboratoires et des startups.

Cela s’explique par le fait que sa production à grande échelle reste une proposition délicate. Produire de petites quantités est relativement facile, mais produire des quantités massives de manière semi‑automatisée ne l’est pas.

Un ruban adhésif appliqué sur un morceau de graphite a suffi pour découvrir le graphène. Mais des méthodes beaucoup plus complexes comme le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) sont nécessaires pour la production de masse.

Cela devient lentement une réalité, avec, par exemple, la publication d’un procédé de CVD sans oxygène produisant du graphène à haute pureté.

Le coller

Un autre problème avec les matériaux 2D est que, du fait de leur extrême finesse et de leur chimie unique, ils peuvent être difficiles à coller sur d’autres matériaux.

Cela nécessite souvent des techniques spécialisées pour faire adhérer une couche de graphène à des puces informatiques, une alimentation électrique ou un dispositif médical.

Cela peut être beaucoup plus chronophage et gourmand en ressources que des alternatives moins efficaces mais plus faciles à mettre en œuvre.

Coûts

Parce que pour l’instant, la plupart des méthodes de production et des applications aux dispositifs existants sont principalement à petite échelle ou sur mesure, les matériaux 2D restent assez coûteux.

Le prix réel peut varier considérablement selon la pureté, le graphène variant par exemple entre 20 $ et 2 000 $/kg.

Cela signifie que même au prix le plus bas, le graphène reste 20 fois plus cher que l’acier. De plus, pour atteindre des performances acceptables en remplaçant cet acier, il faut probablement une pureté supérieure à la plus basse possible.

Entreprises de matériaux 2D

Le domaine des matériaux 2D évolue très rapidement, avec de nouvelles options comme le goldène découvertes régulièrement, et de nouvelles perspectives sur la façon d’optimiser les « anciens » matériaux comme transformer le graphène en semi‑conducteur.

Ces produits ne deviendront probablement un secteur économique majeur que lorsqu’ils seront produits à grande échelle à l’aide de méthodes industrielles.

Jusqu’à présent, la méthode la plus avancée et la mieux documentée est le CVD, offrant un avantage significatif aux spécialistes du CVD pour capter une grande partie de la valeur de la fabrication de matériaux 2D.

1. Veeco

Veeco est un fournisseur majeur d’équipements pour l’industrie de la fabrication de semi‑conducteurs depuis sa création en 1945. Ses machines sont utilisées pour produire des puces avancées EUV, des antennes 5G, des disques durs, des LIDAR, des LED, des électroniques de puissance pour les véhicules électriques, etc.

Source: Veeco

Le principal axe technologique de l’entreprise est le même procédé CVD utilisé pour la production de borophène, ou plus précisément le MOCVD (déposition chimique en phase vapeur métal‑organique).

Source: Veeco

En tant que leader de ce segment de niche de l’industrie des semi‑conducteurs, Veeco pourrait être un bon candidat pour parier sur la montée des applications CVD.

Une telle croissance pourrait découler de l’utilisation croissante du graphène, du tungstène et du borophène, à mesure que nous progressons dans la manipulation de la matière au niveau atomique.

Elle bénéficiera également des tendances massives de la numérisation, de l’IA et de l’électrification, qu’elle utilise massivement les matériaux 2D bientôt ou non.

2. Graphene Manufacturing Group (GMG)

GMG est un producteur de graphène qui a concentré son offre de produits sur des produits à base de graphène déjà démontrés, comme les revêtements thermiques et les lubrifiants.

Cela fait de GMG une bonne option pour les investisseurs cherchant une exposition directe au marché du graphène et une entreprise déjà active dans la production de masse de graphène et l’amélioration de la méthode de production actuelle.

Source: GMG

D’autres applications possibles pourraient être la création de semi‑conducteurs en graphène (voir « Semi‑conducteurs en graphène – Sont‑ils enfin là ? »), voire des supraconducteurs à température ambiante. Le revêtement en graphène pourrait également être utilisé dans les batteries et pour les technologies de réservoirs à haute pression d’hydrogène.

Source: GMG

GMG produit son graphène à partir de méthane + hydrogène, ce qui diffère de la plupart de ses concurrents, qui le produisent à partir de gisements naturels de graphite. Cela permet une plus grande pureté, une meilleure évolutivité et une production à faible coût.

L’entreprise a lancé sa première installation de production en Australie en 2023, avec une capacité allant jusqu’à 1 million de litres de production de revêtements d’échangeurs de chaleur par an.

L’étape suivante pour l’entreprise sera sa technologie de batterie basée sur l’ion aluminium‑graphène, avec une densité de 290 Wh/kg, une charge 60 fois plus rapide que les batteries lithium‑ion, une durée de vie 3 fois supérieure et un meilleur profil de risque d’incendie.

Source: GMG

Cette entrée sur le marché des batteries pourrait être un pari important pour GMG, mais elle lui offre également une perspective unique sur le futur marché qui pourrait s’ouvrir au graphène, y compris dans les véhicules électriques et d’autres applications liées à l’énergie.