Une nouvelle encre au graphène repousse les limites du développement de produits
À l'origine, la feuille de route de HIGRAPHINK (Highly Conductive Graphene Ink) se limitait à démontrer la viabilité du graphène en tant qu'additif pour des matériaux semi-conducteurs organiques, afin de fabriquer des écrans OLED destinés à en valider le principe. Mais le projet a si bien réussi à produire du graphène doté de propriétés jusque-là inimaginables que son hôte, l'Université de Cambridge, a décidé de se limiter à la préparation de cette technologie à la commercialisation. «Il s'agit probablement de la principale difficulté rencontrée au cours de ce projet», se souvient le Pr Andrea Ferrari, directeur du Cambridge Graphene Centre et coordinateur du projet. «À un moment donné, nous avons dû décider, en fonction des progrès que nous avions réalisés, de nous concentrer sur les questions liées à la production de notre encre au graphène et de cesser d'explorer les autres options dont nous avions discuté auparavant.» Mais qui pourrait les en blâmer? Deux ans et demi à peine après le lancement du projet, et six mois après son achèvement, HIGRAPHINK a permis de produire un matériau présentant un taux d'exfoliation de 100 %, contre seulement 1 % avant que l'équipe du projet ne démarre ses travaux. La nouvelle encre présente une mobilité 10 fois supérieure à celle des encres actuellement utilisées dans les OLED. L'industrie peut maintenant en produire des dizaines de milliers de litres par an alors qu'elle ne pouvait espérer que des quantités quotidiennes de l'ordre de quelques milligrammes avant que les résultats de HIGRAPHINK ne produisent leur effet. «Pour y parvenir, nous avons commencé avec le graphite et nous avons utilisé une technique appelée microfluidisation: nous faisons passer le graphite à travers de minuscules canaux en appliquant une pression de cisaillement très élevée. Ce cisaillement très puissant sépare les flocons de graphite et nous obtenons un rendement considérablement supérieur à celui que l'on pouvait atteindre avant ce projet. Nous disposons maintenant d'encres très conductrices, avec une faible résistance de couche, qui peuvent être imprimées sur divers substrats et dotées de propriétés inaccessibles avant le début du projet.» L'équipe a testé le nouveau matériau dans divers dispositifs. Les chercheurs ont en particulier créé des lasers ultra-rapides en incorporant l'encre dans des polymères, au-dessus d'une fibre optique. Ils ont également utilisé ce matériau pour moduler la lumière dans la plage du térahertz, ce qui est la première étape pour créer des lasers térahertz ultra-rapides. Ils ont créé des appareils pouvant être photo-commutés, et même de nouveaux dispositifs de mémoire. «Nous avons également pu étendre cette technique à d'autres matériaux en couches, comme le phosphorène ou le nitrure de bore», s'enthousiasme le Pr Ferrari. De ce fait, le nombre d'applications possibles semble maintenant illimité. HIGRAPHINK a débouché sur la création d'une entreprise dérivée appelée Cambridge Graphene Ltd, qui a récemment été acquise par Versarien, une entreprise britannique exploitant les nouveaux matériaux pour créer des solutions d'ingénierie innovantes. Le matériau est également disponible à la vente dans le catalogue Sigma-Aldrich, qui appartient maintenant à Merck. «Notre intention était de créer un graphène disposant de propriétés suffisantes pour pouvoir l'utiliser avec une certaine souplesse dans les transistors. Cet objectif a également été atteint, et nous travaillons maintenant avec une société appelée FlexEnable pour intégrer notre matériau à la conception des futurs écrans OLED», ajoute le Pr Ferrari. Si le professeur de nanotechnologie de l'Université de Cambridge admet qu'il est difficile de prévoir quelle sera l'utilisation la plus populaire de cette encre au graphène, il estime cependant qu'elle pourra être utilisée dans des appareils souples et pliables, des revêtements, des composites, des détecteurs ou des dispositifs de stockage d'énergie. «Nous avons réussi à mettre au point une nouvelle technique pour créer de grandes quantités d'encre de haute qualité. Cela signifie qu'il existe un potentiel pour des applications destinées à des secteurs exigeants, qui vont des batteries aux supercondensateurs, en passant par les écrans, l'électronique souple, l'optoélectronique, les composites, les revêtements et mêmes les appareils médicaux. Nous ne sommes pas limités à un domaine particulier», déclare le Pr Ferrari. L'une des applications auxquelles il croit tout particulièrement est l'intégration de cette encre dans les batteries. Grâce à cela, il sera possible de produire des batteries améliorées avec une plus grande densité de stockage et une meilleure recyclabilité. En fait, ce processus d'intégration est déjà en cours: bien que le Pr Ferrari déclare qu'il est trop tôt pour donner plus d'informations, mais il a déjà obtenu un financement supplémentaire pour adapter la technique de production de HIGRAPHINK à la fabrication de batteries.
Mots‑clés
HIGRAPHINK, graphène, encre, optoélectronique, batteries, OLED, FlexEnable, Cambridge Graphene, microfluidisation, laser ultra-rapide