Graphène : qu'est-ce que c'est ?

Comme son nom l'indique, le graphène s'obtient à partir du graphite et il s'agit d'un simple feuillet en deux dimensions, composé d'atomes de carbone arrangés selon un motif hexagonal. Avec leur épaisseur d'un seul atome de carbone, on pensait que de tels feuillets, qui forment par leur empilement le graphite de nos mines de crayon, étaient physiquement impossibles. Un tel matériau contredisait en apparence un résultat mathématique en physique du solidesolide connu sous le nom de théorèmethéorème de Mermin-Wagner. Ce dernier était une formulation précise d'un argument (étroitement lié aux notions de symétries brisées) donné par un autre prix Nobel de physique, Lev Landau, « démontrant » l'impossibilité d'un réseau cristallinréseau cristallin à deux dimensions.

Pourtant, l'obstination de Andre Geim et Konstantin Novoselov, deux physiciensphysiciens qui auront le prix Nobel 2010 pour leur découverte, a fini par porter ses fruits lorsque les deux chercheurs ont bel et bien isolé des feuillets de graphène en 2004. Rétrospectivement, on sait que ce théorème d'impossibilité (no go theorem en anglais) ne s'applique pas si le réseau est parcouru d'ondulations.

Le graphène, un matériau miracle

Des travaux en laboratoire montrent que des transistors en graphène sont potentiellement capables de détrôner les transistors en siliciumsilicium, ouvrant la voie à des ordinateursordinateurs plus performants car plus rapides et plus petits. Étant pratiquement transparenttransparent et aussi bon conducteur que le cuivrecuivre, le graphène peut servir à réaliser des écrans tactilesécrans tactiles, des panneaux lumineux et probablement des cellules solaires.

On s'attend aussi, lorsque seulement 1 % de graphène est mélangé à de la matière plastiquematière plastique, à ce qu'il la rende électriquement conductrice. Sa résistance thermiquerésistance thermique devrait augmenter de 30 ˚C, ainsi que sa résistance mécanique (on sait que le graphène lui-même est 200 fois plus résistant que l'acieracier à la traction). D'intéressants matériaux composites au graphène devraient apparaître dans un avenir proche, avec des applicationsapplications dans les satellites, les avions et les voituresvoitures.

D'un point de vue plus théorique, la mécanique quantiquemécanique quantique a son mot à dire. En effet, bien que les électronsélectrons se déplacent dans le graphène 300 fois plus lentement que la lumièrelumière, les conditions auxquelles ils sont soumis imposent de les décrire mathématiquement par l'équationéquation de Dirac, comme pour une particule relativiste presque sans massemasse ! Il en résulte que l'analogue de certains phénomènes ordinairement rencontrés en théorie quantique des champs relativistes peut s'y manifester. On peut donc simuler de la physique des particules avec le graphène. Mieux, des connexions, là aussi de nature analogiqueanalogique et mathématique, avec des calculs en théorie des cordesthéorie des cordes, sont étudiées.