GRAPHÈNE

La famille du graphène : les matériaux 2D

L’obtention du graphène a ouvert la voie à l’étude d’une immense famille de nouveaux matériaux appelés matériaux 2D. Ceux-ci sont des cousins du graphène : comme lui, ils sont formés de plans de cristaux bidimensionnels adhérant les uns aux autres par une faible interaction et peuvent donc être manipulés de la même manière. Ces matériaux 2D présentent une grande variété de propriétés physiques et chimiques, offrant ainsi de nombreuses perspectives pour la recherche et la technologie. Ils sont activement étudiés pour leurs applications potentielles, allant du développement de nouveaux procédés de filtration de l’eau à la conception de supercondensateurs pour stocker l’énergie.

De plus, la faible adhésion entre couches permet de constituer des empilements artificiels contrôlés de matériaux 2D que l’on appelle des hétérostructures verticales. Celles-ci sont très intéressantes car elles présentent des propriétés émergentes – c’est-à-dire non héritées de celles de leurs constituants isolés. Ainsi, il a été démontré que l’hétérostructure formée de deux feuillets de graphène superposés possède des propriétés électroniques très dépendantes de leur angle relatif d’empilement. Celles-ci émergent car la superposition de ces deux réseaux hexagonaux de carbone forme un superréseau périodique appelé « motif moiré ». En 2018, par exemple, il a été observé que, pour un angle « magique » de 1,1 degré, ce double feuillet devient supraconducteur à basse température (T < 1,7 K). En fait, même sur une surface métallique, l’effet de moiré peut être important. Par exemple, le graphène monofeuillet sur une surface d’iridium forme un motif moiré qui le rend chimiquement actif aux endroits où un atome de carbone se trouve en regard d’un atome d’iridium. Le transfert partiel de charges locales entre les deux atomes crée des sites privilégiés pour le greffage réversible de molécules organiques permettant la conception de nouveaux détecteurs chimiques.

Parmi les nombreux nouveaux matériaux 2D, le nitrure de bore hexagonal (hBN) est particulièrement important. Appelé graphène blanc, il possède la même structure cristalline que celle du graphène, mais les paires B-N (bore-azote) se substituent aux paires C-C (B et N étant des atomes encadrant C dans la classification périodique). Contrairement au graphène, c’est un excellent isolant et il est souvent utilisé de pair avec le graphène comme matériau protecteur. En 2013, il a été démontré que le mélange d’eau douce et d’eau de mer au contact d’une surface de hBN produit un courant ionique. Ce procédé physico-chimique permet la génération d’énergie décarbonée et non intermittente à partir de gradient d’eau salée et est appelé énergie « bleue » ou énergie osmotique.