Juin 2010. Après avoir présenté son projet à Bruxelles, Jari Kinaret n'y croit pas vraiment. « Les autres candidatures étaient bien plus avancées que la mienne », se souvient le professeur de physique à l'université de technologie de Chalmers (Suède). Sa présentation de trois minutes devait convaincre la Commission européenne que le graphène – ce matériau à deux dimensions (2D) découvert six ans plus tôt, composé d'une couche unique d'atomes de carbone assemblés en nid-d'abeilles – était le meilleur candidat à un grand programme de recherche européen, dit « flagship ».
Ne baissant pas les bras, il poursuit tant bien que mal le montage d'un consortium. Quelques mois plus tard, un événement inattendu change la donne. Le 5 octobre, le prix Nobel de physique est attribué aux découvreurs du graphène : Andre Geim et Konstantin Novoselov, chercheurs à l'université de Manchester (Royaume-Uni). « Cela nous a certainement aidés », s'amuse aujourd'hui Jari Kinaret.
Début 2013, il devient le directeur du Graphene Flagship, l'un des deux programmes flagship retenus. Un milliard d'euros sont alloués sur dix ans pour développer la recherche et la R&D afin de déboucher sur des applications. Galvanisée par un prix Nobel européen, l'Europe voit là une opportunité : il faut garder le leadership sur ce matériau voué à devenir « le matériau miracle du XXIe siècle, comme le plastique a été celui du XXe siècle », comme l'annonce alors la Commission.
Un matériau qui ne pouvait pas exister
« L'Europe est souvent considérée comme étant très forte pour faire de la recherche, mais inefficace pour en récolter les fruits dans des applications, souligne Jari Kinaret. Le graphène devait servir à prouver que c'était une idée reçue. »« Superstar », « révolutionnaire », « nouvel eldorado »... À l'époque, les qualificatifs élogieux à l'égard du graphène sont à la hauteur des promesses. Il va changer le monde.
Il faut dire que le séisme provoqué par sa découverte quelques années plus tôt est encore dans toutes les têtes. Car pour les physiciens, il ne pouvait pas exister. « Nous pensions qu'un matériau réduit à une couche atomique ne pouvait pas être stable », confie Annick Loiseau, directrice de recherche à l'Office national d'études et de recherches aérospatiales (Onera). « Un matériau 2D allait forcément s'oxyder ou se recroqueviller sur lui-même», précise Vincent Bouchiat, le fondateur de Grapheal. « Des théoriciens comme Lev Landau, prix Nobel de physique en 1962, avaient prédit que c'était impossible, ajoute Laëtitia Marty, chargée de recherche CNRS à l'Institut Néel de Grenoble. Alors tout le monde le croyait. »
L'isolement, en 2004, d'une couche unique d'atomes de carbone à partir d'un cristal de graphite par Andre Geim et Konstantin Novoselov a fait exploser ces certitudes. Leur outil ? Un bout de Scotch. Ils s'en servaient au départ pour nettoyer le graphite, posant du Scotch sur le cristal, puis le décollant. Cela retire les impuretés… et quelques couches de carbone. Répéter l'opération permet d'aboutir à des couches uniques. « Une méthode d'une simplicité biblique, sourit Annick Loiseau. Cela a été une grande surprise. »
Des propriétés extraordinaires
Six ans plus tard, en décembre 2010, Andre Geim et Konstantin Novoselov sont à Stockholm (Suède) pour recevoir leur prix. « Une telle rapidité entre une découverte et le prix Nobel, c'est du jamais-vu, affirme Laëtitia Marty. Très vite, les gens se sont rendu compte du potentiel énorme de ce matériau. » Lors de l'isolement du graphène, les nanotubes de carbone occupent une bonne partie des scientifiques, qui vont franchir le pas vers la 2D. « Pour beaucoup, la transition s'est faite du jour au lendemain », se souvient la chercheuse. Et pour cause : les propriétés du graphène sont extraordinaires.
NCEM Monocouche de graphène : les atomes de carbone sont assemblés en hexagones et forment une surface en deux dimensions. La distance entre deux atomes est de 0,14 nanomètre. (© NCEM)
Il conduit presque deux fois mieux le courant que le cuivre. Pourquoi ? « Parce que les électrons peuvent s'y déplacer sans masse et avec une très grande mobilité, indique Annick Loiseau. Cela n'avait jamais été vu dans la matière condensée.» Grâce aux liaisons chimiques très fortes et stables entre les atomes de carbone, il est également 100 à 300 fois plus résistant que l'acier, tout en étant très fin et souple. Enfin, il dissipe très bien la chaleur – dix fois mieux que le cuivre –, et est transparent – il n'absorbe que 2,3 % de la lumière visible.
Disparition des interactions entre les monocouches atomiques
Des propriétés uniques, qui viennent de la disparition des interactions entre les monocouches atomiques constituant le graphite, matériau lamellaire. « Ces interactions sont faibles mais suffisantes pour participer aux propriétés globales du matériau massif », précise Stephan Roche, professeur à l'Institut catalan de nanosciences et de nanotechnologies (ICN2) à Barcelone (Espagne).
Trois applications concrètes du graphène
En 2018, l'université de Manchester et la marque anglaise de chaussures de sport Inov-8 dévoilent la première paire de baskets à base de graphène. Incorporé dans la semelle, il la rendrait « 50% plus solide », selon l'entreprise.
Depuis 2016, l'italien Vittoria incorpore du graphène dans certains de ses pneus de vélo de route et tout-terrain. Il affirme pouvoir ainsi améliorer leurs performances (adhérence sur sol humide, résistance aux frottements, longévité de la bande de roulement…).
Spin-off de Nokia créée en 2016, Emberion développe des caméras dans le visible et l'infrarouge court dans lesquelles le graphène remplace l'arséniure d'indium-gallium. Les applications vont des machines industrielles aux véhicules autonomes, en passant parla surveillance. En janvier, l'entreprise a levé 6 millions d'euros pour augmenter ses capacités de production.
Les applications paraissent infinies : le graphène peut être mélangé à des polymères pour créer des composites plus résistants, conducteurs, ou dissipateurs de chaleur. Il peut être ajouté à des peintures ou des revêtements pour ses propriétés anti-corrosion. Il peut être utilisé en microélectronique pour ses propriétés électriques. Pourtant, près que dix ans après, le matériau est loin d'être entré dans notre vie quotidienne, même s'il existe quelques projets et petites applications, plus ou moins avancés.
Il lui manque sa « killer app », celle qui le fera décoller. « C'est toujours très difficile à prédire, souligne Jari Kinaret. Les inventeurs du laser dans les années 1950 n'auraient jamais pu imaginer les principales applications qui ont été les siennes quelques décennies plus tard. » La révolution annoncée n'est donc pas encore perceptible.
SortiE de la vallée de la désillusion
Comment l'expliquer ? « Cela prend du temps », insiste Stephan Roche. Chercheur CNRS au Centre de recherche Paul Pascal à l'université Bordeaux I, Alain Pénicaud rappelle l'évolution classique de l'intérêt pour toute nouvelle technologie : d'abord une forte croissance, un pic, puis une chute dans la « vallée de la désillusion », avant de remonter progressivement vers un plateau, quand la technologie donne ses fruits.
« Le graphène est passé par une phase d'excitation au début des années 2010 », remarque celui qui a l'impression de revivre ce qu'il a vécu avec les fullerènes dans les années 1980-1990 et les nanotubes de carbone dans les années 1990-2000. « Le pic pour le graphène est derrière nous. Mais seule la période qui suit la vallée de la désillusion reflète vraiment l'intérêt d'une nouvelle technologie. Et celle-ci est devant nous.»
Pour Pascal Boulanger, le fondateur de Nawatechnologies, qui tente aujourd'hui d'exploiter le graphène dans ses supercondensateurs, le graphène fait face à deux problèmes principaux : la qualité et le coût. Nombre de feuillets empilés, dimensions latérales, pureté… « Il est difficile d'avoir un matériau dont on est sûr que les caractéristiques, et donc les propriétés, seront toujours les mêmes », assure-t-il.
Sans compter qu'il n'y a pas un graphène, mais des graphènes. Du « vrai » graphène à une seule couche, des empilements de quelques feuillets en solution, de l'oxyde de graphène, de l'oxyde de graphène réduit… Difficile des'y retrouver. « Et le coût est encore trop élevé», ajoute-t-il. Jari Kinaret évoque également la réticence des industriels à changer leurs procédés de fabrication pour intégrer du graphène. « C'est le plus gros challenge», estime-t-il.
De nouveaux matériaux 2D
Des start-up se créent et lèvent d'importants montants de capitaux privés, preuve du potentiel du graphène.
— Jari Kinaret, professeur de physique à l'université de technologie de Chalmers
Pour autant, « l'enthousiasme est toujours là », affirme Annick Loiseau. Un écosystème s'est d'ailleurs formé autour du graphène. De nombreuses start-up se sont créées. «Elles lèvent d'importants montants de capitaux privés, remarque Jari Kinaret. C'est l'une des preuves les plus évidentes que nous ne sommes pas les seuls à croire au potentiel du graphène. »
Des méthodes ont été mises au point pour le produire à l'échelle industrielle – ce que ne permet pas l'exfoliation mécanique avec du ruban adhésif. «Les efforts sont maintenant concentrés sur l'industrialisation », poursuit Jari Kinaret. Et les producteurs de graphène affirment avoir plein de projets prometteurs, même s'ils restent entourés d'un grand secret.
Une deuxième vague est même en préparation, celle des nouveaux matériaux 2D. «C'est un sujet en plein boom », annonce Paolo Bondavalli, chercheur chez Thales Research & Technology. En étudiant le graphène, les scientifiques se sont rendu compte que tous les matériaux lamellaires pouvaient se décliner dans une version 2D. Nitrure de bore (BN), disulfure de molybdène (MoS ), disulfure de tungstène (WS )… Il en existe des centaines, aux propriétés plus exotiques les unes que les autres.
Une piste pour la nanoélectronique
Stephan Roche travaille ainsi avec Samsung sur du nitrure de bore multicouche amorphe. «C'est un matériau exceptionnel pour les interconnexions dans la microélectronique grâce à son très faible coefficient diélectrique, sa haute stabilité thermique et ses bonnes propriétés mécaniques», précise-t-il. Il est même possible d'empiler des matériaux 2D différents pour créer des hétérostructures totalement artificielles. « Je pense qu'ils peuvent nous permettre d'inventer le futur de la microélectronique, au-delà du transistor utilisé aujourd'hui», avance Paolo Bondavalli.
Une ligne pilote expérimentale (2D-EPL) est en cours de développement au sein d'un consortium emmené par le Centre interuniversitaire de microélectronique (Imec), en Belgique. Objectif : enclencher une dynamique dans la nanoélectronique en mettant au point les outils nécessaires à la production de puces intégrant du graphène sur des wafers de 200 millimètres (mm), mais aussi d'autres matériaux 2D, comme le disulfure de tungstène, sur des wafers de 300 mm.
« Les outils sont en cours de développement, précise Inge Asselberghs, responsable de la logique exploratoire à l'Imec et du volet du Graphene Flagship dédié à la 2D-EPL. Nous avons lancé un premier appel à projets à destination des laboratoires et des entreprises pour produire des premiers wafers d'ici à la fin de l'année.» Quant à savoir si la ligne pilote expérimentale sera suivie d'une véritable ligne pilote, Jari Kinaret reste prudent car aucune décision n'a été prise. « Des indices semblent montrer que la Commission européenne serait prête à soutenir cette initiative.» Plus discret qu'au début des années 2010, le graphène poursuit sa route. Et elle a maintenant des bases solides.
