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L’Eau de Graphène

L'Eau de Graphène

De l’eau et du graphène. C’est à peu de choses près ce que contient le flacon de l’illustration. On attend beaucoup du graphène, ou couche élémentaire du graphite. C’est en effet la barrière ultime : le graphène a une épaisseur atomique (inférieure au nanomètre), il conduit le courant électrique sur des distances de plus de mille fois son épaisseur sans résistance, il présente une résistance mécanique et une conductivité thermique très élevées, il est léger et quasi-transparent et constitue une barrière infranchissable à l’eau et aux gaz. Pour autant, il est très difficile d’obtenir du graphène à partir de graphite. Il faut en effet vaincre les forces dites de van der Waals (une sorte de colle moléculaire) qui lient ensemble les couches de graphène dans le graphite. Une façon triviale d’y arriver est d’écrire avec un crayon (dont la mine est majoritairement du graphite) : le glissement du crayon sur la feuille de papier y dépose du graphite sous forme d’une trace grise. Mais on est encore loin du graphène, couche unique quasi transparente. La majorité des travaux sur le sujet consiste à plonger le graphite dans de l’acide sulfurique et du permanganate de potassium, un mélange très oxydant, afin d’obtenir de l’oxyde de graphite, exfoliable dans de l’eau, au prix de la conductivité du matériau ! On peut aussi disperser le graphite dans un mixer avec du savon, un peu comme le gras est séparé du tissu dans une machine à laver. Mais l’exfoliation est loin d’être totale. Dans une étude brevetée puis publiée dans Nature Chemistry, des chercheurs du Centre de Recherche Paul Pascal (CNRS- Université de Bordeaux) et du Laboratoire Charles Coulomb (CNRS – Université de Montpellier) ont montré qu’en utilisant de l’eau dont on a simplement retiré le gaz naturellement dissous dedans, de l’eau dégazée, on peut obtenir des dispersions de graphène, exclusivement monocouche, à des concentrations de 400 m2/litre et sans besoin de savon.

Schéma de l’Eau de Graphène. Les couples de sphères rouges et blanches représentent les ions OH- et les sphères mauves des contre ions K+

Chacun a fait l’expérience un jour, de tenter de mélanger de l’huile et de l’eau. On a beau agiter, si on ne met pas un tensio-actif (une espèce de savon), l’huile et l’eau se séparent très vite. Hé bien, si on utilise de l’eau dégazée, on peut mélanger huile et eau et obtenir une émulsion, sans besoin de tensio-actif. C’est ce qui a été démontré par les chercheurs dans le cas du graphène. Plus précisément, ils sont partis d’un sel de graphite qu’ils avaient montré être soluble dans certains solvants, conduisant à une solution de « graphènure », le suffixe « ure » en chimie, signifiant la présence de charges électroniques négatives (comme dans le chlorure de sodium). Mais ces solutions ne pouvaient être manipulées que sous atmosphère inerte, c’est-à-dire sans oxygène ni eau. G. Bepete et coll. ont tout simplement exposé cette solution à l’air et, avant que le graphène ne se réaggrège en graphite, l’ont injectée dans de l’eau dégazée. Ils ont ainsi obtenu une eau de graphène, dans laquelle les ions OH-, naturellement présents dans l’eau, s’adsorbent à la surface du graphène, en lieu et place des molécules de gaz qui ont été enlevées de l’eau. Les feuillets de graphène se retrouvent chargés électriquement par l’adsorption des ion OH- et ils se repoussent entre eux, comme tous objets de même charge électrique, mais cette fois-ci, la dispersion est aqueuse et est stable à l’air ! Il s’agit des premières formulations véritables de graphène au monde. De plus, en irradiant cette Eau de Graphène avec un laser, on peut obtenir sa signature en spectroscopie dite Raman (du nom de son inventeur au début du XXè siècle), laquelle montre sans ambiguïté la présence d’un signal typique de graphène en couche unique (cf illustration). Les chercheurs du CRPP travaillent actuellement à la valorisation de ces résultats de recherche à travers la création d’une start-up en Nouvelle Aquitaine prévue en 2017. Le CNRS soutient ce projet Carbon Waters, via un financement du programme de prématuration.

Référence
G. Bepete, E. Anglaret, L. Ortolani, V. Morandi, K. Huang, A. Pénicaud, C. Drummond, Surfactant Free Single Layer Graphene in Water, Nature Chemistry
10.1038/NCHEM.2669.

Contact chercheur :

Carlos Drummond
Centre de Recherche Paul Pascal
Tel : 05 56 84 56 12

Alain Penicaud
Centre de Recherche Paul Pascal
Tel : 05 56 84 30 28