ALS - Magazine 6 - Septembre 2017

Cathie VIX-GUTERL Institut de Sciences des Matériaux de Mulhouse - Mulhouse Directrice de recherche au CNRS. Elle a consacré ses recherches aux matériaux à base de carbone et plus particulièrement à l’étude de leurs propriétés de surface en interaction avec l’environnement. Elle a fondé l’Institut de Science des Matériaux de Mulhouse et l’Institut Carnot MICA, deux structures qu’elle dirige actuellement. Les matériaux issus du carbone Quel que soit le secteur industriel, le constat est toujours le même : les développements technologiques dépendent indéniablement du progrès des matériaux. C’est pourquoi la synthèse, la caractérisation et l’utilisation de matériaux dotés de propriétés innovantes ou spécifiques améliorées restent au cœur des priorités des programmes de recherche tant sur le plan national qu’international. Ceci est particulièrement vrai pour les matériaux carbonés qui sont plus que jamais des matériaux de premier choix pour des secteurs d’activités stratégiques tels que, par exemple, l’aéronautique, l’aérospatial, le stockage d’énergie, la dépollution, etc. L’engouement pour ces matériaux est en particulier dû au fait qu’il peuvent exister sous différentes formes (particules, fibres, composites, graphite, nanotubes de graphène, etc.) aussi bien à l’état naturel que synthétique et que leurs propriétés chimiques et physiques (réactivité, structure, surface et porosité, entre autres) peuvent être modulées à façon. Ils restent ainsi une source inexhaustible aussi bien comme objet d’études pour la recherche fondamentale qu’en tant que matériaux de pointe pour les développements technologiques. Les matériaux carbonés répondent indéniablement aux attentes des secteurs industriels et participent à lever les verrous technologiques et les défis sociétaux du 21 ème siècle mis en évidence par les exemples donnés dans ce document. LE CARBONE, TÉMOIN DE L’HISTOIRE DE L’UNIVERS ET DU DÉVELOPPEMENT DES CIVILISATIONS En étant l’un des éléments les plus abondants dans l’univers, le carbone est un élément fondamental de la vie sur Terre. Témoin de l’histoire de l’univers, le carbone naturel se retrouve dans les poussières interstellaires et les météorites. Sur Terre, il est présent dans les mines de charbon, de graphite et de diamant. Dès la préhistoire, il a été utilisé comme combustible puis réducteur de métaux. Le carbone artificiel obtenu par pyrolyse de matières organiques est, quant à lui, un marqueur du dévelop- pement des civilisations depuis la plus haute antiquité. Il a ainsi été utilisé comme encre en Chine, adsorbant en Egypte, réducteur d’oxydes métalliques au Moyen Orient, poudre noire dans l’alchimie au Moyen Age, etc. La première utilisation connue d’un matériau carboné comme remède contre les problèmes gastriques date de l’Egypte ancienne en 3750 av. JC. Vers 850 avant Jésus- Christ, des moines taoïstes exploitent le caractère pyrotechnique et explosif de charbons de composition spécifique. A partir de ce moment, le développement des armes à feu, allant des fusils aux canons, va se produire et ainsi changer radicalement les techniques militaires dans le monde. LES DIFFÉRENTS ÉTATS DU CARBONE Le carbone existe sous différentes formes allotropiques : le carbone amorphe, le graphite, le diamant, les carbynes, les fullerènes (appelés tout d’abord les ‘footballènes’ en raison de leur ressemblance avec un ballon de football), les nanotubes de carbone et le graphène. Cette dernière forme a été mise en évidence expérimenta- lement en 2004 par André Geim qui a reçu le prix Nobel de Physique en 2010 avec Konstantin Novoselov pour cette découverte. Le graphène est la forme particulière du graphite en couches constituées d’un seul atome de carbone en épaisseur. Le graphène conduit le courant électrique sur des distances de plus de mille fois son épaisseur, sans résistance. Il présente une conductivité thermique et une résistance mécanique élevées, il est léger et quasi-transparent et constitue une barrière infranchissable à l’eau et aux gaz. Ses propriétés sont notamment intéressantes pour la création de puces électroniques et d’écrans flexibles. 34 / ALS Mag