Graphène : matériau miracle pour équipement du futur

Mis à jour : 14 juin 2018

Electronique, textile, matériel de sport : les feuilles de carbone pur qui forment le graphène présentent des propriétés étonnantes dont le potentiel fait rêver les pionniers. Enquête.


Ultrafin, ultrarésistant, ultraconducteur, les superlatifs ne manquent pas lorsqu’il s’agit de décrire les propriétés du graphène, un matériau en forme de feuilles de molécules de carbone en réseau nid d’abeille.


Son existence théorique a été décrite dans les années 1940, mais n’a été confirmée qu’en 2004 par deux chercheurs de l’Université de Manchester, André Geim et Konstantin Novoselov. Une découverte couronnée par un prix Nobel de physique dès 2010, soit moins d’une décennie après la découverte, ce qui est plutôt rare dans la tradition du Nobel habituellement moins véloce. C’est dire que le potentiel de ce matériau fait rêver non seulement l’industrie mais aussi toute la communauté scientifique.


Dans l’Hexagone, le très sérieux CNRS, que l’on ne peut soupçonner d’allégations marketing, parle dans ses publications de « matériau révolutionnaire », « fascinant », « superstar » et cela pour de multiples domaines : microprocesseurs ultrarapides, batteries ultraperformantes, écrans ultrafins et flexibles... Extraits : « Il est étirable, léger, ultrarésistant, transparent et, surtout, excellent conducteur. La liste des qualités du graphène, feuillet d’une seule épaisseur d’atomes de carbone organisés en nid d’abeille, est impressionnante. Ce matériau pourrait révolutionner la technologie électronique de demain. Écrans souples, électronique haute fréquence, nanoélectronique, « les multiples voies de recherche offertes par le graphène fascinent », se réjouit Bernard Plaçais, de l’École normale supérieure. Et les espoirs ne s’arrêtent pas à l’électronique, puisque le graphène pourrait connaître une belle carrière dans les domaines de l’environnement, des matériaux ou même de la santé ».


Avec le graphène tout va très vite. L’ingénieur et entrepreneur italien Giulio Cesareo a fondé Directa Plus dès 2005, devenant depuis l’un des plus importants producteurs de la matière première. Il a mis au point une méthode de fabrication qui sépare le graphite – la matière des crayons à papier – en feuilles unitaires qui est non seulement « simple et industrialisable » mais ne nécessite aucune chimie, le processus étant entièrement physique, précise-t-il à Sport Design. « Nous produisons des cristaux de carbone pur. C’est la matière la plus fine au monde et elle est 200 fois plus résistante que l’acier. Elle possède d’excellentes propriétés thermique et électriques, et elle est également extensible. C’est en somme un matériau réellement multifonctionnel », explique Giulio Cesareo.

Le procédé de fabrication développé par Directa Plus transforme le graphite en feuilles sous l’apport de très hautes températures (10.000°C). « Les feuilles qui sont ainsi créées sont du pur carbone, sans addition de chimie », souligne l’ingénieur. Le graphène se déploie en feuilles pliées en accordéon. Sa surface plane et extensible facilite son intégration dans le textile.


En Autriche, Head Sports a commencé à s’intéresser au graphène dès 2008. Le fabricant de skis et de raquettes de tennis a travaillé avec un laboratoire de recherche taiwanais, Industrial Technology Research Institute (ITRI), qui a piloté le développement technique. « A cette époque nous cherchions à réorienter notre recherche pour développer des produits ayant des propriétés réellement perçues par le consommateur », indique Ralf Schwenger, directeur R&D chez Head Sports. En permettant de mieux répartir les charges dans une raquette, le graphène offre un meilleur contrôle immédiatement ressenti par l’utilisateur. Utilisé en remplacement de la fibre de carbone classique dans ses éléments pré-imprégnés, dits prépreg, le graphène allège considérablement le composite et offre de meilleures performances. Après l’introduction dans les raquettes de tennis, le matériau a été adopté par les équipes de ski. « Le graphène apporte une grande légèreté, en offrant une haute rigidité, notamment en torsion. Nous l’avons immédiatement adopté sur les skis féminins avec l’idée de le généraliser progressivement à l’ensemble de la gamme. D’une manière plus générale, le graphène permet de repenser la construction des skis en utilisant moins de matériaux superposés pour un meilleur résultat. Au-delà de la légèreté intrinsèque du graphène, c’est ce qui permet d’alléger le ski. Nous avons étendu le graphène au snowboard et d’autres produits devraient suivre », indique Morgan Redouin, responsable Winter Sports.

Le fabricant Momo Design a développé le premier casque de moto en graphène. « En raison de ses propriétés particulières le graphène est capable de distribuer la force d’un impact mieux que tout autre matériau. D’autre part il est capable d’une haute résistance aux chocs même dans des conditions de températures ambiantes extrêmes. Enfin, en raison de la capacité du matériau à dissiper la chaleur, la coque extérieure thermorégulatrice permet au porteur du casque de se sentir à l’aise même lors d’une exposition directe au soleil. », explique-t-on chez Momo Design, qui a travaillé sur ce projet avec le concours de l’Istituto italiano di technologia (IIT). Le fabricant espagnol de casques de vélo Catlike a également adopté le graphène sur certains de ses modèles.

« Cela permet d’obtenir un matériau jusqu’à 200 fois plus résistant que l’acier, mais est extrêmement léger. »

Le graphène arrive aussi dans la lunette, où les caractéristiques de légèreté et résistance sont évidemment très recherchées. C’est la marque Ray Ban du groupe Luxottica, qui inaugure le matériau avec une première monture présentée cette année. « Les défis les plus difficiles sont ceux qui nous demandent de transposer les études théoriques et les nouvelles découvertes scientifiques en une véritable paire de lunettes. Cet objet apparemment si simple et familier, incarne des innovations et des technologies de pointe », a déclaré Andrea Lazzari, chef de projet R&D Matériaux Injectés chez Luxottica.


Nano ma non troppo !


Nano-matériau, le graphène fait partie d’un triolet de composants high-tech similaires, avec les nanotubes de carbone et les fullerènes. La différence réside dans l’organisation de la matrice de molécules, en tube, en sphère (le fullerène) ou en feuille (le graphène). Ralf Schwenger souligne que « les nanotubes sont beaucoup plus chers à produire et plus difficiles à contrôler dans un processus de fabrication car ils ont tendance à s’agglomérer ». Sans compter que le nanotube de carbone est perçu comme potentiellement aussi dangereux que l’amiante. Le graphène ne souffre pas de cette préoccupation, assure Giulio Cesareo, car « il est de taille nano en épaisseur, mais de format macro latéralement ».

Matériau vedette, le graphène est ainsi plébiscité dans de nombreux domaines mais comme tout matériau, « il existe plusieurs qualités de graphène », note Ralf Schwenger, qui s’étonne toutefois que la première utilisation industrielle ait été le fait d’une entreprise de taille moyenne comme Head et non d’un grand de l’aéronautique. « Cependant, une entreprise comme la nôtre peut prendre le risque d’essuyer les plâtres, alors qu’on préfère tous que Boeing ou la NASA ne s’engagent pas avant d’être absolument sûrs de ses performances et propriétés. »


En Italie, Directa Plus a choisi, parmi les vastes possibilités offertes par le graphène, de se développer dans quatre secteurs, le textile, l’environnement, les composites et les élastomères. La firme
milanaise, commercialise ainsi des élasto
mères pour les pneus, ainsi que des filaments pour imprimante 3D. Elle s’intéresse également au traitement de l’eau (le
graphène absorbant les hydrocarbures et
matières organiques). « Il y a plus de 2000
start-ups travaillant sur les applications de
graphène dans l’électronique, nous avons décidé de nous concentrer sur certains secteurs, dont le textile, où il y beaucoup moins de monde », précise Giulio Cesareo.

La firme est entrée à la bourse de Milan en mai 2016 et les fonds levés à cette occasion ont permis notamment d’acquérir Osmotek, un fabricant italien de membranes. Son dirigeant, Razvan Popescu, a pris la tête de la nouvelle division Directa Textile Solutions, née de ce rapprochement.

A l’affût de toute innovation, la marque italienne Colmar a présenté une première ligne de vêtements avec graphène, pour le ski et le golf, exploitant les propriétés de conductivité thermique du matériau. De même, le groupe Eurojersey, spécialiste de la maille rectiligne, développe une gamme de tissus avec graphène, faisant partie des pionniers dans le domaine du textile.


Tissus résistants, thermorégulateurs, conducteurs...


Parmi ses nombreux projets, Directa Textile Solutions compte, comme Head dans l’équipement, répondre à des besoins précis du marché et exploiter les propriétés réactives du matériau. « Un
tissu traditionnel ne réagit pas à l’environnement, explique Razvan Popescu. Mais grâce à sa faculté de dissipation de la chaleur, un tissu enduit, imprimé ou laminé de graphène s’adaptera aux changements de température. » Dans un vêtement isolant, il distribue la chaleur sur la surface totale du vêtement créant un microclimat plus confortable. Dans un vêtement d’été, il évacue l’excès de chaleur dégagée par le corps.

Dans un second temps, Directa compte exploiter les propriétés de conductivité électrique du matériau pour créer des vêtements chauffants sans éléments métalliques (sujets à l’oxydation) et alimentés par une batterie pour fournir de la chaleur à la demande. « C’est la prochaine étape sur laquelle nous travaillons », confie Razvan Popescu. Ses équipes ont déjà mis au point un prototype capable de transmettre des données. Autre piste en cours de recherche, pour une utilisation militaire, la création d’une barrière aux ondes infrarouges.

Le graphène présente d’autres propriétés potentiellement utiles dans le textile. Il est antistatique, une fonction nécessaire dans certains vêtements de travail en fibres synthétiques, et bactériostatique, permettant donc de réduire la formation d’odeurs liées à la transpiration. Ces caractéristiques ont été validées par des laboratoires indépendants. Enfin, le graphène augmente la résistance à l’abrasion d’un tissu (jusqu’à 200 000 tours Martindale, selon Razvan Popescu) offrant ainsi un bon niveau de résistance mécanique.

A l’heure actuelle, Directa Textile Solutions produit le graphène sous forme d’encres pour impression, d’enductions et de membranes en polyuréthane. L’enduction utilisée par Colmar pour une combinaison de ski de descente améliore l’aérodynamique du vêtement. Bien que cher, le graphène est utilisé en toute petites quantités qui limitent, selon ses promoteurs, son coût. « Quelques grammes suffisent pour changer de manière radicale les propriétés d’un textile », affirme Giulio Cesareo, qui précise que Directa Plus est une des rares entreprises à pouvoir produire le matériau en quantités industrielles, un point essentiel pour son adoption par des grandes entreprises du sport.
La firme travaille également sur la possibilité d’intégrer le matériau dans un polymère pour produire une fibre. « Nous produisons déjà des master batchs avec graphène pour fabriquer des filaments de polypropylène, polyamide ou polyester », explique Razvan Popescu. Une première étape avant de faire un fil en graphène. L’entreprise s’attache à développer un processus pouvant être intégré dans les installations existantes de filage et filature ; un développement qui pourrait voir le jour d’ici deux à trois ans.
 Directa Plus s’attend à obtenir une fibre ayant les propriétés reconnues du graphène, conductivité thermique et électrique, bactériostaticité, mais rêve aussi d’en découvrir d’autres.

C’était une des bonnes surprises du développement de pneus de vélo par le fabricant italien Vittoria. Les pneus de vélo de course et de VTT enrichis de graphène offrent une moindre résistance à la friction, ce qui était le but recherché, mais se sont avérés également augmenter l’adhérence, le grip du pneu sur la route, ce qui n’était pas prévu. En vente depuis le printemps dernier, 600 000 pneus ont déjà été vendus par Vittoria.

En discussions avec de grands noms du sport, mais sans pouvoir encore les dévoiler, Directa Plus pense pouvoir annoncer l’intégration du graphène par d’autres marques partenaires en 2018. « Nous avançons sur plusieurs dossiers », indique sibyllin, Giulio Cesareo. SB/EG

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