L'effet accordéon du graphène propulse l'avenir des technologies portables

Le graphène a été découvert il y a seulement une vingtaine d'années. En si peu de temps, ce « matériau miracle » est devenu incontournable dans l'électronique et la technologie des semi-conducteurs, le stockage de l'énergie, la gestion thermique, la science des matériaux et d'autres secteurs. 

Depuis que les professeurs Kostya Novoselov et Andre Geim de l'Université de Manchester ont isolé et caractérisé le graphène en 2004, pour lequel ils ont reçu le prix Nobel de physique 2010, ce matériau est resté l'un des domaines de recherche les plus passionnants de l'électronique.

Le graphène est un matériau bidimensionnel (2D) constitué d'une feuille extrêmement fine d'une seule couche d'atomes de carbone. présente des propriétés remarquables, notamment sa légèreté, sa conductivité électrique très élevée et sa forte résistance mécanique.

Des chercheurs ont désormais découvert une nouvelle propriété du graphène grâce à une méthode unique.

L'effet accordéon : rendre le graphène très extensible 

Sous la direction de Jani Kotakoski, l'équipe de physiciens de l'Université de Vienne a rendu le graphène, pour la première fois, sensiblement plus extensible en le jouant comme un accordéon. Cette nouvelle propriété a été révélée par un environnement de mesure propre et sans air.

Les ondulations du graphène le rendent extensible, ouvrant la voie à son utilisation dans les objets portables, où les matériaux doivent se plier et bouger avec le corps tout en fonctionnant de manière fiable.

Publié dans la revue Physical Review Letters¹L'étude a été menée en collaboration avec l'Université de technologie de Vienne et a été financée par le Fonds autrichien pour la science (FWF).

L'équipe de chercheurs a mené des expériences qui ont en fait clarifié que l'extrême rigidité du graphène est due aux atomes du matériau disposés en nid d'abeille ; ainsi, retirer certains des atomes le long de leurs liaisons réduit leur rigidité. 

Des études scientifiques ont en effet fait état de contradictions : à la fois une légère diminution et une augmentation significative.

La dernière étude l'a clairement démontré grâce à l'utilisation d'appareils de pointe, partageant le même réglage propre et sans air. Selon Katokoshi :

« Ce système unique que nous avons développé à l’Université de Vienne nous permet d’examiner des matériaux 2D sans interférence. » 

L'environnement propre et sans air permet de transporter les échantillons entre les différents appareils sans les exposer à l'air ambiant.

Pour la première fois, ce type d'expérience a été réalisé avec du graphène entièrement isolé de l'air ambiant et des particules étrangères qu'il contient. Sans cette séparation, ces particules se déposeraient rapidement à la surface, ce qui perturberait le déroulement de l'expérience et les mesures.

– Le premier auteur de l’étude, Wael Joudi

Cette focalisation sur la propreté de la surface du matériau a en fait permis de révéler l’effet accordéon associé à la rigidité du graphène.

L'élimination de deux atomes voisins provoque déjà un gonflement notable du matériau initialement plat. La combinaison de plusieurs de ces gonflements entraîne une ondulation du matériau.

« On peut l'imaginer comme un accordéon. Lorsqu'on l'étire, le matériau ondulé s'aplatit, ce qui nécessite beaucoup moins de force que d'étirer le matériau plat, ce qui le rend plus extensible. » 

– Joudi

La formation d'ondes et l'extensibilité qui en résulte ont été confirmées par les simulations menées par Florian Libisch et Rika Saskia Windisch, physiciens théoriciens de l'Université de technologie de Vienne.

L'étude a observé une diminution de la résistance de la substance à la déformation élastique, passant de 286 à 158 N/m. Cette diminution est « significativement plus importante » que ce que prédisent la plupart des études, et contraste également avec certaines mesures présentées, en raison des ondulations produites par la contrainte locale au niveau des lacunes comportant au moins deux atomes manquants.

Les expériences menées par l’équipe ont en outre démontré « que l’effet inverse peut être mesuré lorsque la contamination de surface n’est pas éliminée avant l’ingénierie des défauts ».

Ainsi, la présence de particules étrangères à la surface du matériau supprime cet effet, voire crée un résultat inverse. En particulier, l'influence de ces particules a rendu le graphène encore plus rigide, ce qui clarifie les contradictions signalées par des expériences précédentes. Selon Joudi :

Cela démontre l'importance de l'environnement de mesure pour les matériaux 2D. Ces résultats ouvrent la voie à une régulation de la rigidité du graphène et ouvrent ainsi la voie à des applications potentielles. 

Repousser les limites du graphène grâce à des découvertes de pointe

Les technologies portables sont une industrie en plein essor, qui devrait dépasser les 150 milliards de dollars avant la fin de la décennie.

Un élément clé des appareils portables tels que les montres intelligentes, les bagues, les lunettes, les bracelets, les tatouages ​​intelligents, les bijoux, les textiles, les bandages, les masques faciaux et un régulateur de glucose en temps réel sont les capteurs, qui facilitent la détection de la biométrie, collectent des données, puis s'adaptent aux besoins du corps.

Le développement rapide d’appareils électriques flexibles et perceptibles a conduit à des capteurs portables à base de graphène, qui se distinguent par leur grand potentiel pour rendre les établissements de santé plus accessibles et améliorer la qualité des activités de détection.

Contrairement aux semi-conducteurs traditionnels, qui sont rigides et ont des propriétés optoélectroniques limitées, et aux métaux, qui peuvent être coûteux, toxiques et voir leurs performances se dégrader lorsqu'ils sont soumis à des contraintes mécaniques, les propriétés inhérentes du graphène le rendent parfaitement adapté à la construction de dispositifs portables multifonctionnels et à faible coût.

La dernière étude a démontré les capacités exceptionnelles du matériau dans ces appareils grâce à une augmentation spectaculaire de son extensibilité. Mais ce n'est pas la première fois ; au fil des ans, de nombreuses études ont examiné le rôle du graphène dans les objets connectés pour diverses raisons et ont permis de nombreuses découvertes à son sujet.

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Capteur de contrainte portable à base de graphène 

L'année dernière, les chercheurs en réponse² un capteur de contrainte portable utilisant du graphène qui peut détecter et diffuser la parole silencieuse.

Le collier « intelligent » conçu par des chercheurs de l'Université de Cambridge capte les micromouvements de la gorge, qui sont captés par le capteur de contrainte sous forme de signal électrique, puis transmis à des modèles logiciels de traitement et de reconnaissance vocale. Il peut même capter des mots prononcés silencieusement et les diffuser.

Le dispositif portable présente une structure distincte, caractérisée par des fissures ordonnées et profondes sur les textiles recouverts de graphène, ce qui améliore considérablement la sensibilité. La couche de graphène structurée sus-jacente a été appliquée à un capteur de contrainte textile intégré.

La méthode de fabrication de cette technologie est simple, évolutive, peu coûteuse et biocompatible. Le dispositif est adaptable à une utilisation prolongée et peut supporter plus de 10,000 XNUMX cycles d'étirement-relâchement tout en conservant une fonctionnalité électrique stable et fiable.

En répondant dynamiquement aux micromouvements de la gorge, il peut capturer des signaux vocaux riches en informations, qui sont traités via un réseau neuronal, avec une précision record de 95.25 % dans le décodage de la parole. 

Selon les chercheurs, cet appareil a le potentiel de redéfinir le domaine de l'interface vocale silencieuse (SSI), qui implique des solutions de pointe pour permettre la communication verbale sans vocalisation.

Combiner le graphène et la soie pour une électronique flexible

Dans une autre étude, des chercheurs du Laboratoire national du Nord-Ouest Pacifique (PNNL) du Département de l'Énergie en réponse une couche 2D uniforme de « fibroïnes » ou fragments de protéines de soie sur du graphène. 

L'utilisation de la protéine de soie dans l'électronique grand public n'est pas nouvelle, mais elle est limitée par la nature complexe des fibres de soie. D'où l'ajout de graphène.

La soie sur graphène pourrait potentiellement créer un transistor sensible et réglable très recherché pour les capteurs de santé et portables. Elle pourrait même servir de composant essentiel aux « memristors », utilisés dans les réseaux neuronaux et permettant aux ordinateurs d'imiter le fonctionnement du cerveau humain.

La soie a fait l'objet de nombreuses recherches pour moduler les signaux électroniques, mais son contrôle est complexe. L'équipe du PNNL a donc soigneusement contrôlé les conditions de réaction en ajoutant avec précision des fibres de soie individuelles au système aqueux, créant ainsi une couche bidimensionnelle hautement organisée de protéines disposées en feuillets β parallèles.

Il s’agit seulement de la première étape dans la superposition contrôlée de soie sur des composants électroniques fonctionnels, les recherches futures devant se concentrer sur l’amélioration de la stabilité et de la conductivité des circuits intégrés à la soie.

Un implant de « tatouage » en graphène pour traiter les battements cardiaques irréguliers

Pendant ce temps, des chercheurs de l'Université du Texas à Austin (UT) et de l'Université Northwestern en réponse le premier implant cardiaque utilisant du graphène pour traiter l'arythmie cardiaque.

Ces troubles surviennent lorsque le cœur bat trop lentement ou trop vite, ce qui peut souvent entraîner un accident vasculaire cérébral, une insuffisance cardiaque, voire une mort subite. Pour traiter l'arythmie, les médecins ont généralement recours à des stimulateurs cardiaques implantables qui détectent les battements cardiaques irréguliers et utilisent la stimulation électrique pour corriger le rythme. 

Ces dispositifs nécessitent des matériaux durs et rigides, mécaniquement incompatibles avec le corps et donc difficiles à fixer à la surface du cœur. Ils peuvent provoquer une gêne temporaire, endommager les tissus mous, gêner les mouvements naturels et entraîner des complications.

Contrairement à ces derniers, le nouvel implant biocompatible créé est un « tatouage » en graphène, dont l'apparence ressemble à celle d'un tatouage temporaire. Plus fin qu'un cheveu, il fonctionne comme un stimulateur cardiaque classique.

Ce nouvel appareil fin s'adapte en douceur au cœur pour détecter et traiter les battements irréguliers. Il est suffisamment flexible pour s'adapter aux contours délicats du cœur et suffisamment robuste pour gérer ses mouvements dynamiques.

Pour des raisons de biocompatibilité, le graphène est particulièrement attractif. Le carbone est à la base de la vie ; c'est donc un matériau sûr, déjà utilisé dans diverses applications cliniques. De plus, il est flexible et souple, ce qui en fait une interface idéale entre l'électronique et un organe souple et mécaniquement actif.

– Auteur principal Igor Efimov

Pour enfermer le tatouage de graphène et le faire adhérer à la surface d'un cœur battant, le graphène a été encapsulé dans une membrane élastique en silicone avec un trou pour accéder à l'électrode en graphène. Un ruban d'or de 10 microns d'épaisseur a ensuite été placé sur la couche d'encapsulation comme connexion entre le graphène et l'électronique externe utilisée pour mesurer et stimuler le cœur.

L'épaisseur totale du dispositif résultant était d'environ 100 micromètres et il a maintenu sa stabilité pendant 60 jours, comparable à la durée des stimulateurs cardiaques temporaires.

Pour tester l'appareil, les chercheurs l'ont implanté dans un rat et ont découvert qu'il pouvait détecter avec succès les rythmes cardiaques irréguliers et fournir ensuite une stimulation électrique via une série d'impulsions sans affecter les mouvements naturels du cœur. 

Cette technologie est notamment optiquement transparente, ce qui permet aux chercheurs d'utiliser une source de lumière optique externe pour enregistrer et stimuler le cœur via le dispositif. Cela offre une approche novatrice pour l'identification et le traitement des maladies cardiaques et ouvre de nouvelles perspectives en optogénétique.

Même le graphène imparfait présente de grands avantages

Il y a moins de deux ans, des chercheurs de l'Université de technologie de Vienne ont effectivement développé un modèle informatique de structures de graphène réalistes, qui ont montré que les excellentes propriétés électroniques du graphène sont très stables. Cela signifie que même les morceaux de graphène les moins parfaits peuvent être utilisés pour des applications technologiques.

Ainsi, la propagation du courant électrique du graphène est calculée à l'échelle atomique dans un très petit fragment. Le professeur Florian Libisch, de l'Institut de physique théorique de l'Université technique de Vienne, expliquait à l'époque que les électrons ont plusieurs voies différentes pour se déplacer dans le matériau, et qu'ils peuvent emprunter plusieurs chemins simultanément, qui peuvent se chevaucher de différentes manières.

Les chemins s’annulent à des valeurs d’énergie très spécifiques, auxquelles la probabilité que des électrons traversent le morceau de graphène est extrêmement faible et le courant électrique est minimal, ce que l’on appelle « interférence destructive ».

La diminution spectaculaire du flux de courant à des valeurs d’énergie très spécifiques est « un effet hautement souhaitable sur le plan technologique », qui peut être utilisé pour traiter des informations à une échelle minuscule, un peu comme le font les composants électroniques dans les puces informatiques, et pour le développement de nouveaux capteurs quantiques.

Ce n'est cependant pas si simple, car la taille et la forme des particules de graphène varient. D'autres facteurs, comme la présence d'atomes indésirables, leur instabilité et les nombreuses interactions entre plusieurs électrons, très difficiles à calculer, doivent être pris en compte pour « décrire le graphène de manière vraiment réaliste ».

Les chercheurs ont donc combiné leurs années d’expérience dans la description précise des différents effets des matériaux dans des modèles informatiques pour développer un modèle complet qui inclut toutes les sources d’erreur pertinentes et les effets de perturbation qui existent dans les graphiques. Cela leur a permis de montrer que les effets souhaités sont visibles même lorsqu’il existe des sources d’erreur. 

L’étude a été importante pour démontrer le potentiel d’utilisation des effets quantiques dans le graphène de manière contrôlée.

Transformer le graphène en minuscules aimants

Au milieu de tout cela, les experts allemands ont ajouté un autre aspect aux diverses propriétés du graphène qui a montré le potentiel du matériau dans les commutateurs magnétiques et les dispositifs de stockage.

Chercheurs de l'Université de Duisburg-Essen (UDE) expériences menées Au Centre Helmholtz de Dresde-Rossendorf (HZDR), ils ont envoyé de brèves impulsions térahertz (THz) sur de minuscules disques de ce matériau, les transformant brièvement en aimants très puissants. Cette découverte pourrait s'avérer utile pour le développement de futurs commutateurs magnétiques et dispositifs de stockage.

Les scientifiques ont donc utilisé des méthodes de semi-conducteurs existantes pour placer des milliers de disques de graphène de la taille de micromètres (μm) sur une petite puce, qui a ensuite été soumise à de courtes impulsions térahertz, le type de rayonnement qui se situe entre les micro-ondes et l'infrarouge.

Pour la source lumineuse, ils ont utilisé un laser à électrons libres FELBE au HZDR qui peut produire des impulsions térahertz ultra-intenses.

En plus de disques de graphène de la taille d'un micromètre transformés en électroaimants, l'équipe a même généré des champs magnétiques de l'ordre de 0.5 Tesla, soit environ 10,000 XNUMX fois le champ magnétique de la Terre, qui n'ont duré que dix picosecondes, soit un centième de milliardième.

Pour parvenir à ce résultat, les chercheurs ont dû polariser les flashs térahertz d'une manière particulière. Des dispositifs optiques spécialisés ont alors modifié la direction de l'oscillation du rayonnement, de sorte qu'il se déplace de manière hélicoïdale dans l'espace.

Lorsque les flashs polarisés circulairement frappent les minuscules disques, les électrons libres qu'ils contiennent commencent à tourner, ce qui transforme les disques en minuscules électroaimants.

Selon les chercheurs, ce procédé simple et très efficace pourrait être utilisé dans des expériences scientifiques pour une compréhension plus détaillée des propriétés des matériaux. Le champ magnétique est notamment resté unipolaire, ce qui le rend utile pour certaines expériences.

À l’avenir, ces minuscules aimants pourraient même trouver une application dans la technologie de stockage magnétique et la spintronique.

Investir dans le graphène

Une entreprise qui se démarque dans le secteur du graphène est CVD Equipment Corporation (CVV )L'entreprise conçoit et fabrique des systèmes utilisés pour le dépôt chimique en phase vapeur, une technique essentielle pour la production de graphène de haute qualité. Alors que les industries continuent d'explorer les applications concrètes du graphène, notamment en électronique et en science des matériaux, la spécialisation du CVD dans ce créneau pourrait lui conférer un avantage stratégique face à l'augmentation de la demande.

CVD Equipment Corporation (CVV )

La société américaine CVD Equipment développe des systèmes de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), qui sont utilisés pour créer des matériaux avancés tels que le graphène, ainsi que des revêtements utilisés dans l'énergie, l'aérospatiale et d'autres industries.

Elle propose également des activités de R&D sur le graphène et des équipements de production spécialisés pour produire du graphène de haute qualité à grande échelle.

L'entreprise opère à travers deux segments. Le premier, CVD Equipment, conçoit et fabrique des équipements de transport physique de vapeur, de dépôt chimique en phase vapeur et de procédés thermiques. Le second, Stainless Design Concepts (SDC), se concentre sur les systèmes de contrôle de distribution de gaz et de produits chimiques de très haute pureté.

Concernant la performance boursière de l'action CVD, au moment de la rédaction de cet article, elle s'échange à 2.84 $, en baisse de 34 % depuis le début de l'année. Sa capitalisation boursière s'élève ainsi à 20 millions de dollars, avec un BPA (sur 0.28 mois) de -10.43 et un PER (sur XNUMX mois) de -XNUMX.

Concernant les finances de l'entreprise, CVD a enregistré un chiffre d'affaires de 26.9 millions de dollars pour l'ensemble de l'année 2024, soit une hausse de 11.5 % par rapport à l'année précédente. Cette hausse s'explique principalement par la hausse des revenus des contrats aérospatiaux en cours, du segment SDC et des 0.8 million de dollars de ventes finales du segment MesoScribe, qui a fermé ses portes l'année dernière.

Le pourcentage de marge bénéficiaire brute de CVD Equipment a bondi de 2.6 % pour atteindre 23.6 % en 2024. La perte d'exploitation pour la période s'est élevée à 2.4 millions de dollars et la perte nette à 1.9 million de dollars, soit 0.28 $ par action de base et diluée.

L'année dernière, la société a également enregistré une augmentation de 8.9 % des réservations de nouvelles commandes, qui ont atteint 28.1 millions de dollars, tandis que le carnet de commandes à la fin de l'année était de 19.4 millions de dollars.

« En 2024, nous continuons d'observer une reprise continue de notre marché de l'aérospatiale et de la défense », a déclaré le PDG Manny Lakios, tout en notant que le marché du carbure de silicium reste « difficile en raison de la surcapacité et de la baisse mondiale des prix des plaquettes ».

Dernières nouvelles de CVD Equipment Corporation

Conclusion

Connu pour être léger, flexible, résistant et doté d’une conductivité électrique élevée, le graphène a fait l’objet de nombreuses recherches et a été utilisé pour des applications dans les secteurs de l’énergie, de l’électronique et de la santé.

Comme nous l'avons mentionné précédemment, plusieurs développements prometteurs, tels que les colliers vocaux silencieux et les tatouages ​​de surveillance cardiaque, enrichissent constamment le monde du graphène. Aujourd'hui, la dernière découverte de l'effet accordéon du graphène lui confère une autre propriété : une extensibilité accrue, démontrant la compatibilité de ce matériau magique avec les objets connectés.

Associé à ses propriétés électriques, mécaniques et biocompatibles supérieures, le graphène est un matériau très prometteur pour alimenter les appareils portables intelligents de nouvelle génération !

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Études référencées :

1. Joudi, W., Windisch, RS, Trentino, A., Propst, D., Madsen, J., Susi, T., Mangler, C., Mustonen, K., Libisch, F., et Kotakoski, J. (2025). Adoucissement mécanique du graphène obtenu par ingénierie des défauts, dominé par l'ondulation. Physical Review Letters, 134(16), 166102. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.166102

2. Tang, C., Xu, M., Yi, W., Zhang, Y., Wang, J., Li, H., et Zhao, Y. (2024). Des capteurs de contrainte textiles ultrasensibles redéfinissent les interfaces vocales silencieuses portables grâce à une efficacité d'apprentissage automatique élevée. NPJ Flexible Electronics, 8, 27. https://doi.org/10.1038/s41528-024-00315-1