Si on demandait à un ou une scientifique de fabriquer un élément tout usage, riche en réactions chimiques et en propriétés physiques hors-norme, il y a fort à parier qu'il ou elle n'aurait pas l'audace d'élaborer le carbone. Vieux comme le monde (et même un plus...), le carbone ne cesse pourtant de nous surprendre. Et ce n'est pas qu'une façon de parler.

Pendant longtemps, on pensait que le carbone pur existait sous deux formes : le diamant et le graphite. Dans la première, les atomes forment un réseau tridimensionnel qui représente le matériau le plus dur qu'on connaisse. Le graphite, quant à lui, est formé de feuillets d'atomes, placés aux coins d'un réseau semblable à un nid d'abeilles. Ces feuillets sont ensuite empilés pour former du graphite.

On connaît depuis longtemps le diamant et le graphite. Depuis une vingtaine d'années, les physiciens et les chimistes ont découverts deux nouvelles formes de carbone: les buckeyballes, de superbes molécules de carbone pur, et les nanotubes.

(Source: MaterialsToday, vol 10, janvier 2007.)

Il y a une vingtaine d'années, au milieu des années 1980, le chimiste Richard Smalley découvre une molécule de carbone comptant exactement 60 atomes et, brillamment, en déduisit que la structure devrait être celle d'un ballon de soccer (football, pour les lecteurs européens), faisant de cette molécule la plus symétrique qu'on connaisse. On aurait pu penser qu'une telle molécule exige des manipulations chimiques complexes pour être produite, expliquant qu'elle ne soit découverte qu'à la fin du XXe siècle. Mais non, on retrouve les molécules de C60 ou buckeyballes — en l'honneur de l'architecte Buckminster-Fuller, qui construisit, en autres, la célèbre biosphère sur l'île Notre-Dame — dans les cendres des feux de bois.

Les découvertes se sont succédé et dans les années 1990, ce fut le tour des buckeyoignons (des molécules sphériques de carbone, genre C60, insérées dans des molécules similaires, mais de plus grande taille) et des nanotubes de carbone, qui consistent en des molécules tubulaires, allongées, plutôt que des sphères. Tout un zoo de nouvelles formes de carbone s'est développé en quelques années.

Alors qu'on pensait que la série était terminée, voilà qu'on découvre qu'il est possible de séparer complètement les feuillets du graphite, tout en préservant l'ordre en nid d'abeille (ou hexagonal). Mieux encore, la nouvelle structure obtenue, d'une épaisseur d'un seul atome et qu'on appelle graphène, possède des propriétés tout à fait inusitées!

Le graphène, un feuillet de graphite monoatomique où les atomes sont placés sur un réseau hexagonal (les couleurs permettent de mieux voir la structure, mais tous les atomes sont du carbone). (Source: MaterialsToday, vol 10, janvier 2007.)

Tout d'abord, on a longtemps pensé, sur la base d'un théorème énoncé par Wagner et Mermin dans les années 1960, qu'il était impossible qu'un cristal d'une épaisseur d'un atome puisse être stable. D'après ce théorème, tout arrangement monoatomique, devait se chiffonner tout seul, sous l'impact des vibrations thermiques. Or, ce n'est pas ce qu'on observe : il y a bien quelques ondulations dans la feuille, mais rien de dramatique. De nouvelles études suggèrent que ce comportement est dû au fait que l'atome de carbone a des liaisons chimiques très orientées, c'est-à-dire que l'angle entre deux voisins de carbone dans le plan doit être de 60 degrés. Cette contrainte additionnelle serait suffisante pour contrer les prévisions du théorème de Wagner-Mermin.

Le graphène représente donc le premier système isolé vraiment bidimensionnel qui soit à la portée des expérimentateurs. Or, on sait depuis longtemps que plusieurs phénomènes étranges se produisent lorsqu'on passe de 3 dimensions à 2. Entre autres, il semble que certaines propriétés quantiques diffèrent considérablement de celle des matériaux en trois dimensions. Par exemple, dans le graphène, une particule avec un spin donné pourrait être forcée de se déplacer selon des directions spécifiques, alors que dans un matériau standard, le spin n'a aucune importance dans ces déplacements. Or, les physiciens s'intéressent depuis quelques années à développer une réplique de l'électronique, où l'information est transportée par des électrons, à base de spins, où l'information serait transportée par des spins. Le graphène pourrait donc s'avérer un système idéal pour développer ce nouveau domaine.

Et ce n'est pas tout. Les propriétés exotiques du graphène se multiplient à mesure que les travaux progressent, faisant de ce matériau un laboratoire fantastique pour tester de nouvelles idées. Il est difficile d'en parler ici, car pour expliquer ces phénomènes, il faut entrer dans des détails assez compliqués. Il n'est pas impossible, toutefois, que les applications du graphène dans l'industrie de l'électronique arrivent assez rapidement. Il a fallu à peine une quinzaine d'années entre la découverte des nanotubes de carbone et leur application à grande échelle. Gageons que ça ira encore plus vite dans le cas du graphène.