«Com­ment nous avons dé­cou­vert le gra­phène»

«Le Temps» a ren­con­tré le Prix No­bel 2010 de phy­sique Kons­tan­tin No­vo­se­lov, co­dé­cou­vreur du gra­phène. Un ma­té­riau mi­racle sur le­quel il est tom­bé presque par ha­sard, au dé­tour d’ex­pé­riences qui ont vu dé­fi­ler rou­leaux de scotch et gre­nouilles vo­lantes

Le Temps - - La une - SER­VICE ABON­NÉS: www.le­temps.ch/abos Tél. 0848 48 48 05 (ta­rif nor­mal)

Prix No­bel 2010 de phy­sique, Kons­tan­tin No­vo­se­lov est l’un des deux scien­ti­fiques à avoir dé­cou­vert le gra­phène, ce ma­té­riau qua­si-mi­racle, à la fois flexible, ré­sis­tant, trans­pa­rent et qui conduit les élec­trons mille fois plus vite que le cuivre. Il ex­plique au Temps pour­quoi il pour­rait ré­vo­lu­tion­ner notre quo­ti­dien.

Que faire d’un ma­té­riau qui n’a au­cun re­lief? Rien pour le qui­dam, tout pour le phy­si­cien. Telle est en ef­fet la na­ture du gra­phène et de ses cou­sins, tous clas­sés sous la dé­no­mi­na­tion des ma­té­riaux bi­di­men­sion­nels. Ce ma­té­riau qua­si-mi­racle, à la fois flexible, ré­sis­tant, trans­pa­rent et qui conduit les élec­trons mille fois plus vite que le cuivre, pour­rait ré­vo­lu­tion­ner notre quo­ti­dien. L’un des deux scien­ti­fiques à l’avoir dé­cou­vert, l’An­glo-Russe Kons­tan­tin No­vo­se­lov de l’Uni­ver­si­té de Man­ches­ter, était pré­sent à Lu­cerne le 7 no­vembre à l’oc­ca­sion d’une jour­née d’échanges or­ga­ni­sée par le Centre suisse de mi­cro­tech­nique (CSEM).

Très briè­ve­ment, un ma­té­riau bi­di­men­sion­nel (2D), tel que le gra­phène, c’est quoi? Si on s’en tient à une dé­fi­ni­tion stricte, les ma­té­riaux 2D n’ont qu’un seul atome d’épais­seur. Mais en pra­tique, se­lon l’ap­pli­ca­tion que l’on cherche, ou l’ex­pé­rience qu’on teste, ils peuvent avoir deux, trois, voire plus d’atomes d’épais­seur. Ce qui im­porte est en fait que l’épais­seur soit contrô­lée, plus que le nombre d’atomes au sens propre.

On les qua­li­fie par­fois de ma­té­riaux mi­racles. Quelles sont leurs prin­ci­pales pro­prié­tés? On pour­rait en ci­ter beau­coup. Mais quand je prends un peu de re­cul, je me dis que la prin­ci­pale pro­prié­té de ces ma­té­riaux, c’est d’exis­ter. Quand j’ai com­men­cé à tra­vailler sur le gra­phène, nous pen­sions que nous n’y ar­ri­ve­rions ja­mais parce que c’était im­pos­sible d’ob­te­nir un feuillet d’un seul atome de car­bone d’épais­seur. Au­jourd’hui, c’est un ac­quis pour tout le monde, je tra­vaille d’ailleurs avec des étu­diants qui n’ont ja­mais connu l’ère pré­gra­phène. Donc, pour moi qui l’ai

L’An­glo-Russe Kons­tan­tin No­vo­se­lov est l’un des deux scien­ti­fiques à avoir dé­cou­vert le gra­phène.

connue, et après avoir été confron­té à ces dif­fi­cul­tés, je peux vous dire que le plus im­por­tant dans toutes ces pro­prié­tés, c’est qu’elles existent! Ce se­rait de toute fa­çon dif­fi­cile de ci­ter telle pro­prié­té plu­tôt qu’une autre, car les ma­té­riaux 2D consti­tuent à ce jour une grande fa­mille de quelques di­zaines de membres, cha­cun avec des ca­rac­té­ris­tiques qui lui sont propres.

La lé­gende veut que vous ayez, avec votre col­lègue et di­rec­teur de thèse An­dré Geim, iso­lé le pre­mier feuillet de gra­phène lors d’ex­pé­riences ri­go­lotes, en ef­fri­tant un mor­ceau de gra­phite, couche par couche, à l’aide d’une bande de scotch. Vrai ou faux? Oui c’est exact. C’est An­dré Geim qui avait in­ven­té le concept de ces «ex­pé­riences du ven­dre­di soir», sans lien di­rect avec nos su­jets de re­cherche [avant le No­bel, Andre Geim avait re­çu le prix pa­ro­dique Ig-No­bel pour avoir réus­si à faire lé­vi­ter une gre­nouille dans un champ ma­gné­tique lors de ces ex­pé­riences]. C’est une longue his­toire, mais très briè­ve­ment: nos col­lègues mi­cro­sco­pistes, qui tra­vaillaient au bout du cou­loir, uti­li­saient du scotch pour ob­te­nir de très fines tranches des échan­tillons à ob­ser­ver. Ce­la nous a don­né une idée: et si nous fai­sions de même pour ob­te­nir des couches de gra­phite [du car­bone cris­tal­lin na­tu­rel] les plus fines pos­sibles?

C’était du vrai scotch? Tout à fait, du scotch tout ce qu’il y a de plus or­di­naire. Pré­ci­sons que ça ne s’est pas fait en un jour, le temps de per­fec­tion­ner le pro­to­cole, nous avons mis un an à ob­te­nir une unique couche d’atome de car­bone, et c’est comme ça que le gra­phène est né, en quelque sorte.

Un bel exemple de sé­ren­di­pi­té… C’est sou­vent le cas en phy­sique et en sciences en gé­né­ral. Lors­qu’on monte un dos­sier pour ob­te­nir des fonds, il faut in­di­quer nos ob­jec­tifs, ce que l’on veut trou­ver. Et puis on com­mence à tra­vailler, mais en es­pé­rant se­crè­te­ment ne pas at­teindre nos ob­jec­tifs. Pour­quoi? Parce que ce­la vou­drait dire qu’on n’a rien trou­vé de nou­veau! On pré­fère

«Nous pen­sions qu’ob­te­nir une couche mo­no­ato­mique était im­pos­sible» KONS­TAN­TIN NO­VO­SE­LOV

évi­dem­ment que les re­cherches nous mènent à quelque chose d’in­at­ten­du. Il faut donc se pré­pa­rer… à l’in­at­ten­du. C’est ce qui s’est pas­sé avec le gra­phène: ce n’était pas notre su­jet prin­ci­pal, et nous pen­sions qu’ob­te­nir une couche mo­no­ato­mique était im­pos­sible. Mais nous avons quand même es­sayé, pour voir jus­qu’où nous pou­vions ar­ri­ver en termes d’épais­seur. Et fi­na­le­ment, il s’est avé­ré que la bande de scotch suf­fi­sait à ob­te­nir du gra­phène.

Com­ment trans­forme-t-on une ex­pé­rience du ven­dre­di soir en vé­ri­table per­cée scien­ti­fique? Les dé­cou­vertes scien­ti­fiques sont sou­vent le fait non pas de ce qui fonc­tionne, mais de ce qui ne fonc­tionne pas. En pro­gres­sant dans une ex­pé­ri­men­ta­tion, il y a tou­jours de pe­tites anomalies qui sur­viennent. Il faut s’in­ter­ro­ger sur leur na­ture, leurs causes, pour sa­voir par exemple si c’est dû à une er­reur de ma­ni­pu­la­tion ou si on est en train de mettre le doigt sur quelque chose d’in­té­res­sant. Pour le sa­voir, on es­saie de re­pro­duire l’ano­ma­lie, de l’am­pli­fier, de la ca­rac­té­ri­ser. Et c’est comme ce­la qu’on pro­duit un nou­veau fait scien­ti­fique.

Quelles sont au­jourd’hui les ap­pli­ca­tions du gra­phène? Pe­tit à pe­tit, des pro­duits in­cluant du gra­phène ar­rivent sur le mar­ché: ra­quettes de ten­nis, skis, am­poules… Dans ces ap­pli­ca­tions, le gra­phène rem­place sou­vent des ma­té­riaux com­po­sites. Dans d’autres, il rem­plit un rôle que l’on ne pou­vait confier à un autre ma­té­riau. On peut ain­si l’im­pri­mer sur un sup­port pour en faire une puce RFID, une fonc­tion bien­ve­nue dans le cadre de l’In­ter­net des ob­jets. Ima­gi­ner et concré­ti­ser ces nou­veaux usages de­mande tou­te­fois bien plus de temps et de tra­vail.

Le sec­teur so­laire pour­rait-il en ti­rer pro­fit? C’est un do­maine que je connais moins. Mais c’est cer­tai­ne­ment pos­sible que le gra­phène tire son épingle du jeu, car il a de bonnes pro­prié­tés élec­tro­niques: les élec­trons s’y dé­placent as­sez li­bre­ment, ce qui doit in­té­res­ser les spé­cia­listes. Le pro­blème que j’en­tre­vois est plu­tôt lié au coût: les pan­neaux so­laires ont d’im­por­tantes sur­faces, en­core peu com­pa­tibles éco­no­mi­que­ment avec les coûts de pro­duc­tion du gra­phène.

Et concer­nant les autres ma­té­riaux 2D? On peut ci­ter le di­tel­lu­rure de mo­lyb­dène (MoTe2), qui est très pro­met­teur pour le sec­teur des té­lé­coms. C’est un se­mi-conduc­teur qui émet de la lu­mière sous cer­taines condi­tions. On pour­rait le re­trou­ver dans des fibres op­tiques, par exemple.

Pour­quoi le rêve du «ma­te­rial by de­si­gn», au­tre­ment dit la concep­tion de ma­té­riaux aux pro­prié­tés per­son­na­li­sées en fonc­tion des be­soins, est-il tou­jours si loin­tain? Il est loin­tain, mais on y tra­vaille. Il y a dé­jà eu quelques es­sais: un ma­té­riau com­po­site, c’est en quelque sorte du ma­te­rial by de­si­gn. Mais il est vrai que c’est dif­fi­cile. Cer­tains ma­té­riaux ne veulent pas être com­bi­nés, d’autres perdent ou changent de pro­prié­tés lors­qu’ils sont as­so­ciés, etc. C’est donc d’abord un pro­blème de na­ture scien­ti­fique. Une fois qu’on l’au­ra ré­so­lu, il s’en po­se­ra un autre, de na­ture in­dus­trielle cette fois: com­ment pro­duire ces ma­té­riaux ra­pi­de­ment et à un coût ac­cep­table? Mais ce­la ne me fait pas peur. Nous ne sommes qu’à l’aube des ma­té­riaux 2D. Il reste en­core beau­coup de science à faire.

(MISCHA CHRISTEN)

Newspapers in French

Newspapers from Switzerland

© PressReader. All rights reserved.