Créer du graphène avec un mixeur de cuisine, c'est possible !

Graphène mixeur

Du graphène créé dans un mixeur de cuisine

Le graphène est le matériau miracle découvert en 2004 : ultra-léger, il est aussi fin qu'un atome de carbone, mais 100 fois plus résistant que l'acier et possède une excellente conductivité électrique.

Il devrait bientôt permettre de révolutionner l'électronique, les panneaux solaires, les dispositifs de stockage d'énergie (comme les supercondensateurs) et de nombreux secteurs industriels. La difficulté est aujourd'hui de réussir à créer de grandes quantités de feuilles de graphène de bonne qualité et pour un coût le plus bas possible.

Des centaines de tonnes de graphène sont déjà produites chaque année. Mais pour faire du graphène le matériau de base pour de nombreuses applications industrielles, il faut encore augmenter drastiquement sa production et sa qualité. Ainsi, de nombreux chercheurs à travers le monde tentent d'améliorer les processus de production du graphène... Et ils y arrivent !

Chaque année, des nouvelles techniques sont mises au point pour créer du graphène de meilleure qualité ou en plus grande quantité. Voir notre article "Un supercondensateur en graphène stockant autant qu'une batterie plomb-acide bientôt commercialisé".

Cette fois ci, des scientifiques irlandais sont parvenus à créer de grandes quantités de graphène en utilisant un simple mixeur de cuisine pour mélanger à haute vitesse du graphite (qui peut être récupéré dans les mines de crayons), de l'eau et du détergent. Très simple, mais très efficace ! (Attention, ne pas le faire à la maison ! Lire la suite...)

Explications

graphene scotch

Le graphène est une couche monoatomique de carbone (deux dimensions), tandis que le graphite (que l'on trouve dans les mines de nos crayons bois) n'est qu'un empilement de couches de graphène. Ainsi, Andre Geim et Konstantin Novoselov - les deux chercheurs qui ont isolé le graphène en 2004 - n'ont pas réalisé quelque chose d'exceptionnel pour obtenir du graphène : ils ont utilisé un simple crayon graphite et un bout de scotch. Après avoir déposé un peu de graphite sur le bout de scotch, ils ont plié et déplié le bout de scotch sur lui-même plusieurs fois pour arracher petit à petit les différentes couches de graphène et ont fini par isoler des couches de graphène uniques.

Pas compliqué, mais il fallait y penser ! Les deux chercheurs ont obtenu le prix Nobel de physique en 2010 pour cette découverte. Car si la découverte en elle même n'a pas été le résultat d'une prouesse scientifique et technique, le matériau isolé à cette occasion - le graphène - possède des qualités incroyables qui en font un vrai matériau miracle.

En fait, les découvertes majeures sont souvent obtenues de façon anodines. Beaucoup de découvertes sont issues d'expériences scientifiques ratées, d'un accident, ou du pur hasard. Christophe Colomb a bien découvert l'Amérique en cherchant à rejoindre les Indes orientales...

Notons que Andre Geim a la particularité, unique à ce jour, d'avoir remporté à la fois un prix Nobel (pour la découverte du graphène) et un Prix Ig Nobel en 2000 (prix parodique décerné à des personnes dont les "découvertes" ou les "accomplissements" peuvent apparaître bizarres, drôles ou absurdes. Il a obtenu le prix Ig Nobel de physique en 2000 avec Sir Michael Berry de l'université de Bristol (Royaume-Uni), pour avoir utilisé des aimants pour faire léviter une grenouille.

Le diable est dans les détails

A voir les choses de cette façon, la physique à l'air simple, voir simpliste. Mais creusons un peu...

Faire léviter une grenouille

grenouille levitation

Grenouille en lévitation

Pour faire léviter la grenouille, Andre Geim est parti du principe que le champ magnétique d'un aimant permet de modifier la course des électrons autour du noyau de certains des atomes qui nous composent. Le champ magnétique qui en résulte, propre à l'électron, est dirigé dans le sens inverse du champ magnétique qui l'a créé.

Ce phénomène est imperceptible. Pour déplacer une grenouille, et a fortiori, pour la faire léviter au dessus de l'aimant, il faut un champ magnétique très intense pour que la force qui en résulte soit supérieure à la gravité qui la maintient au sol. La grenouille d'Andre Geim a été soumise à un champ de 16 teslas, ce qui est énorme. Et elle s'est maintenue à quelques centimètres de la paroi inférieure du dispositif expérimental aussi longtemps que le champ magnétique y était appliqué. Sans dommage pour sa santé...

Découverte du graphène

Nous venons d'expliquer comment Geim et Novoselov ont isolé le graphène. Concrètement, le graphite d'une mine de crayon consiste en des feuilles de graphène empilées et très faiblement liées entre elles, et ces feuilles restent alors accrochées à la surface du papier lorsqu'on fait glisser un crayon sur celui-ci. Dans l'astuce du scotch, Novoselov et Geim ont remplacé la mine de crayon par une fine pastille de graphite, et le papier par une sorte de scotch qu'ils ont replié sur la pastille ; après l'avoir déplié à nouveau, la pastille s'est scindée en deux feuillets plus fins encore (il y a eu exfoliation). La répétition de ce procédé leur a permis d'obtenir des couches graphitiques de l'épaisseur de quelques atomes, voir d'un seul.

Il fallait non seulement avoir l'idée de faire ceci, mais il fallait aussi vérifier le résultat grâce à un microscope optique et constater les caractéristiques exceptionnelles du graphène.

graphene microscope

Graphène vu d'un microscope électronique

Ainsi, les deux chercheurs ont fait la dernière exfoliation en appliquant le scotch sur un substrat isolant. Une couche de graphène s'est alors déposée sur le substrat, car elle était plus attirée par le substrat que par les autres couches graphitiques collées au scotch. Une fois la feuille de graphène identifiée par microscopie optique sur le substrat – c'est l'étape la plus difficile –, des contacts électriques peuvent y être déposés afin de mesurer les propriétés électriques du graphène.

En plus de cette possibilité assez "artisanale" de fabrication d'un système électronique en deux dimensions, les chercheurs ont montré que le graphène peut être dopé en électrons (et en trous) à l'aide d'une tension électrique appliquée à une électrode planaire séparée du graphène par un isolant. L'électronique à base de graphène était née...

La création de graphène par mixeur de cuisine

Pour obtenir un processus simple de fabrication de graphène, les scientifiques irlandais n'ont pas commencé par utiliser un simple mixeur de cuisine. C'est après avoir réussi à trouver le processus adéquat qu'ils ont répété l'opération avec succès en utilisant des produits du commerce.

Pour cela, ils ont utilisé un mixeur de cuisine de forte puissance (400 Watt), dans lequel a été versé un demi-litre d'eau, 10 à 25 ml de détergent et 20 à 50 grammes de poudre de graphite (trouvée dans les mines de crayon). Ils ont ensuite allumé la machine pendant 10 à 30 minutes. Résultat : un grand nombre de flocons de graphène de la taille d'un micromètre se retrouvent en suspension dans l'eau.

Mais attention, il ne faut pas essayer ceci à la maison. D'une part, il est presque certain que vous n'arriveriez pas à reproduire le même phénomène. D'autre part, votre mixeur de cuisine deviendrait inutilisable pour faire la cuisine. Il serait souillé et les produits mixés seraient alors impropres à la consommation.

La recette implique en effet un équilibre délicat de tensioactif et de graphite. Un dosage qui n'a pas encore été divulgué...

5 litres de graphène en suspension

Dans le laboratoire des chercheurs : des centrifugeuses, des microscopes électroniques et des spectromètres ont également été utilisés pour séparer le graphène et tester le résultat. Pour faire leurs expériences, les chercheurs ont en fait utilisé un mélangeur industriel dans lequel ils ont mélangé à grande vitesse de la poudre de graphite avec un "liquide exfoliant".

Les scientifiques ont obtenu des feuilles de graphène d'environ un nanomètre (un milliardième de mètre) d'épaisseur et 100 nanomètres de longueur, en suspension dans le liquide. La structure bidimensionnelle du graphène n'a pas été endommagée par l'opération, assurent-ils.

C'est une nouvelle méthode simple de faire du graphène en quantité industrielle. Thomas Swan a breveté cette méthode et mis en place le processus dans une usine pilote. Le directeur commercial Andy Goodwin, espère que l'usine sera en mesure de produire un kilogramme de graphène par jour d'ici la fin de l'année. Ce graphène sera vendu sous forme de poudre sèche ou dispersé dans un liquide qui peut alors être pulvérisé sur d'autres matériaux pour en changer les caractéristiques (matériaux composites).

"Il s'agit d'une étape importante vers une production de masse pas cher et évolutive", explique Andrea Ferrari, un expert du graphène à l'Université de Cambridge, Royaume-Uni. "Le matériel est d'une qualité proche de la meilleure décrite dans la littérature, mais avec des taux de production apparemment des centaines de fois plus élevé".

La qualité des flocons n'est pas aussi élevée que celles obtenue par les Prix Nobel 2010, Andre Geim et Kostya Novoselov. Les feuilles de graphène ne sont pas non plus aussi grandes que celles qui sont aujourd'hui développées par la méthode du dépôt chimique en phase vapeur. Mais en dehors des applications de l'électronique haut de gamme, les petits flocons suffisent. Le vrai problème est alors de savoir comment en produire en très grande quantité.

Bien que des centaines de tonnes de graphène sont déjà produites chaque année - et il est possible d'en acheter facilement sur Internet - leur qualité est variable. Beaucoup de flocons de graphène ainsi commercialisés sont pleins de défauts ou étouffés par des produits chimiques, ce qui affecte leur conductivité et d'autres propriétés, et ont des dizaines ou des centaines de couches d'épaisseur. "La plupart des entreprises vendent des choses que je n'aurai même pas appelé graphène", dit Coleman.

La technique du mélangeur produit des petits flocons de quatre ou cinq couches d'épaisseur en moyenne, mais apparemment sans défauts - ce qui signifie une conductivité électrique élevée. Coleman pense que le mélangeur induit des forces de cisaillement dans le liquide, qui sont suffisantes pour séparer les feuilles d'atomes de carbone des morceaux de graphite ("comme si des cartes de jeu glissaient du haut d'un tas de cartes", explique t-il).

Le graphène utilisé pour créer des supercondensateurs

Pour démontrer une utilisation de leur graphène, les scientifiques ont mélangé la poudre de graphène ainsi produite avec du diméthylformamide pour produire une encre de graphène. Il ont ensuite peint un morceau de papier avec cette encre pour y déposer un mince film constitué de flocons de graphène. En utilisant deux morceaux de papier ainsi traités, ils ont créé un supercondensateur, montrant une des utilisations possible de ce graphène dans l'électronique flexible.

papier graphene supercondensateur

Pour les supercondensateurs, la technique de création de graphène utilisée par les ingénieurs des matériaux de l'université de Monash en Australie décrite dans notre article "Un supercondensateur en graphène stockant autant qu'une batterie plomb-acide bientôt commercialisé", reste sans doute plus intéressante. En effet, ce sont des millions de couches de graphène qui sont ainsi créées à travers un processus s'apparentant à celui de la production de papier. Ces couches de graphène ne sont pas d'une qualité exceptionnelle, mais elles sont bien disposées et séparées par l'électrolyte liquide du supercondensateur.

Les recherches se poursuivent et d'autres techniques ont récemment été développées pour créer des assemblages de flocons de graphène et de nanotubes de carbone permettant de créer des supercondensateurs à haute densité d'énergie...

Source : blogs.nature.com

10 commentaires

Alexis Gogos 30 avril 2014 à 10:49

Salut et merci pour ce superbe article :) je m’intéresse énormément à l'autonomie énergétique et cet article me laisse rêveur. Un chimiste pourrait-il nous faire un tuto afin de se rapprocher le plus possible de cette expérience ?

Si je comprends bien il faut :

- 1 mixeur puissant (non reutilisable pour la cuisine)
- Du graphite (si quelqu'un connait un lien pour en acheter de bonne qualité). Une idée de la quantité à mettre dans le mixeur)
- Un solvant (lequel et quantité ?)
- De l'eau (quelle quantité ?)
- Laisser tourner pendant 30-40mn
- Que faut-il faire ensuite (évaporer ? Sécher ?)
- Dans quel type de conteneur faut-il mettre la mixture ?)

Merci pour cet excellent site !

http://www.terrededemain.com/

supercondensateur.com 30 avril 2014 à 11:07

@Alexis Gogos :

Bonjour Alexis,

Comme écrit dans l'article, cette expérience ne doit pas être reproduite chez soi.
"D'une part, il est presque certain que vous n'arriveriez pas à reproduire le même phénomène."
"La recette implique en effet un équilibre délicat de tensioactif et de graphite. Un dosage qui n'a pas encore été divulgué..."
Il faut "des centrifugeuses, des microscopes électroniques et des spectromètres pour séparer le graphène et tester le résultat."
"Thomas Swan a breveté cette méthode".

Voir plutôt le supercondensateur à faire soi-même présenté dans cet article :
http://www.supercondensateur.com/supercondensateur-a-faire-soi-meme

Mais là aussi, ce n'est pas si simple. Ce supercondensateur a en fait été réalisé par des étudiants d'une grande école de physique-chimie.
Et il faut faire très attention avec l'utilisation du liquide de nettoyage de canalisation qui est un produit dangereux.

Merci pour les compliments !

Alexis Gogos 30 avril 2014 à 11:52

Promit je ne vais pas exploser la "baraque" ^^

Je sais que le commun des mortels n’arrivera pas à obtenir de tels résultats mais si on peut s'en approcher même à hauteur de 20-30% ça serait déjà un excellent début ;)

On veut plus de tutoriels ! ^^

mdb 01 mai 2014 à 19:25

Bonjour je ne lasse pas de m’émerveiller sur ce graphène, on a du mal à y croire tellement c extraordinaire et pourtant...
Au passage bravo pour ce site. J'attends les prochaines infos avec impatience, j’espère que l'Europe ne va pas laisser passer une telle opportunité.

beruberu 02 mai 2014 à 16:05

En fait la recette pour faire du graphène chez soi est donnée dans le supplément du papier auquel réfère l'article de blogs.nature.com:
http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/
ncurrent/full/nmat3944.html
#supplementary-information (pages 49 et 50)

Comme c'est une exfoliation par voie mécanique, je ne pense pas que cela soit très risqué, contrairement aux procédé chimiques habituels (méthode Hummer modifiée pour oxyder le graphite suivie d'une réduction le plus souvent à l'hydrazine, donc 2 manipulations à haut risque).

En gros il faut un mixer puissant (400 W dans le cas présent), 500 ml d'eau, 5 g de liquide vaisselle et 40 g graphite (je ne pense pas que les mines de crayon soient une bonne source de graphite car c'est un mélange, variable en fonction de la dureté de la mine, d'argile et de graphite). On agite pendant une vingtaine de minutes (il est probable que ça mousse énormément à cause du liquide vaisselle).

Après comme mentionné par le webmestre de ce site, il faut centrifuger une partie de ce que l'on mixé et ne conserver au final qu'une partie de ce que l'on a centrifugé. Au final cela devrait permettre d'obtenir quelque dizaines de mg de graphène de 4 ou 5 feuillets d'épaisseurs. Mais pour le caractériser et être sûr de ce que l'on a fabriqué il faudrait (à minima) faire une spectro Raman ce qui est déjà plus difficile à faire chez soi.

Pour éviter les problèmes de mousse il est sans doute préférable de remplacer le liquide vaisselle par du cholate de sodium ('acide cholique fait partie de notre bile) comme l'ont fait les auteurs de cette étude.

beruberu 02 mai 2014 à 16:15

@mdb
L'Europe met un milliard d'euros pour les études sur le graphène
(voir par exemple
http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/
physique-milliard-euros-recherche-graphene-materiau-miracle-44355/)

Mais je pense que c'est surtout pour ces applications potentielles en électronique que va cet argent.

Lefrançois 08 septembre 2015 à 20:20

L'acide cholique est utilisé comme émulsifiant alimentaire sous le numéro E1000.

ced 13 septembre 2015 à 17:29

pile de 9 volts, anode et cathode scotché sur + et - plongé dans un verre d'eau surveiller et attendre plusieurs heures.
ensuite tremper la face d'une feuille de plastique à la surface. vous aurez votre couche de graphene milimetrique, un enfant de 12 ans à fait un tuto youtube

Protoxid 16 décembre 2015 à 18:33

Pas de mixer,il y a bien mieux! Des crayons de graphite type Gioconda 6 (D:5,6mm top qualité)) et une perceuse haute vitesse type Millarco tournant entre 8000 et 30000 T/mn et une tête a poncer grain le plus fin possible. L´exfoliation mécanique ici explose le mixer. un tensio-actif non moussant (y en a), bain d´acide sulfurique dilué pour les éventuelles impuretés. Rincage a l´eau déminéralisée et filtration sur papier filtre a très faible porosité (on a le temps), séchage dans un dessiccateur avec un fond de bentonite/silicagel pour absorber l´eau totalement.On peut soumettre le filtre au ultra son pour récupérer le graphène. Voila en gros!

herve vaysse 16 janvier 2017 à 16:47

Quelle est la quantité d'energie stocké dans le graphite de TCHERNOBYL (cf:GRAPHITE-GAZ)

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