De la cacahuète au graphène en un éclair

Transformer une coquille d’arachide en matériau high-tech peut sembler improbable. Pourtant, cette idée repose sur un principe fondamental: en chimie, la structure de la matière est souvent plus importante que sa composition. Les allotropes du carbone en sont des exemples parfaits. L’allotropie (du grec allos «autre» et tropos «manière») est la faculté de certains corps purs simples d’exister sous plusieurs organisations. Le carbone en présente de nombreuses: la forme allotropique amorphe, le charbon, et diverses formes cristallines (organisées). Pour ces dernières, il faut citer le diamant et le graphite. Bien que ces matériaux soient semblables dans leur composition, leurs propriétés sont totalement différentes.

Dans le diamant, chaque atome de carbone est lié à quatre autres atomes de carbone dans un réseau tridimensionnel très rigide (géométrie tétraédrique – hybridation sp₃ – voir figure 1 ci-dessous), ce qui explique sa dureté extrême… mais aussi son absence de conductivité électrique. À l’inverse, le graphite est constitué de couches empilées de graphène. Ce sont ces feuillets qui se déposent sur une feuille lorsqu’on écrit avec un crayon ! Dans le graphène, chaque atome est lié à 3 autres (géométrie trigonale plane – hybridation sp₂ – voir figure 2 ci-dessous), laissant un électron libre de se déplacer pour chaque carbone, d’où sa conductivité. Il s’agit d’une unique couche d’atomes de carbone organisée en réseau hexagonal. Le graphène est souvent présenté comme un matériau miracle car sa structure bidimensionnelle lui confère une propriété exceptionnelle en plus de sa conductivité: une résistance mécanique très élevée malgré une grande légèreté. Ces multiples avantages lui ouvrent les portes d’une panoplie d’applications: électronique, batterie, matériaux, filtration…

Historiquement, les couches de graphène étaient exfoliées avec du ruban adhésif qu’on colle puis décolle d’un morceau de graphite. Bien que cette méthode mécanique fournisse de grands feuillets purs, elle n’est pas industrialisable.

Il est également possible d’exfolier chimiquement le graphène en oxydant puis réduisant le graphite. Une production en masse est alors possible mais des défauts apparaissent dans la structure, impactant négativement les propriétés désirées du matériau.

De ces premiers «échecs», est née l’idée qu’il fallait synthétiser le graphène, pour l’avoir pur et à grande échelle. Des premières méthodes pétro-sourcées ont été imaginées avec du méthane ou de l’éthylène comme réactifs. Cependant, pourquoi ne pas exploiter le carbone dans le vivant ? Encore mieux: dans les déchets du vivant !

C’est précisément ce que des chercheurs tentent de faire depuis plusieurs années et notamment à partir de coquilles d’arachides. Ces dernières sont riches en lignine, un polymère (longue molécule formée de motifs se répétant) naturel complexe contenant beaucoup de carbone.

Les coquilles sont d’abord broyées, lavées, et séchées. Ensuite, lors d’un premier chauffage sans oxygène (pyrolyse/thermolyse), la matière organique se décompose: elle perd de l’eau, du dioxyde de carbone et d’autres molécules volatiles. Il en reste alors un résidu carboné amorphe, encore désorganisé mais conducteur. Ce traitement préalable est d’importance capitale. Il a fallu ajuster la température et le temps de chauffage (une minute de 500 à 1 000 °C) car ils ont observé que la qualité de la poudre obtenue influençait fortement la seconde étape: le flash Joule heating.

Ce chauffage éclair est rendu possible grâce à de l’électricité. La poudre est contenue dans un tube en quartz où se trouve de part et d’autre deux électrodes. Elles appliquent une différence de potentiel conséquente, jusqu’à 180 V. Un courant électrique très intense traverse alors le matériau. En quelques millisecondes, la température peut atteindre près de 3 000 °C. Cette élévation impressionnante de température est due à l’effet Joule. Ce phénomène est un dégagement de chaleur qui se produit lorsqu’un courant électrique traverse un matériau conducteur résistant, convertissant l’énergie électrique en énergie thermique. Ce principe est utilisé dans les radiateurs électriques, les bouilloires, les sèche-cheveux…

Pourquoi un chauffage aussi rapide est-il crucial ? Parce qu’il modifie complètement la manière dont les atomes s’organisent. À ces températures extrêmes, les liaisons chimiques existantes se rompent, et les atomes de carbone deviennent mobiles. Ils peuvent alors se réarranger spontanément vers une configuration plus stable: des cycles hexagonaux organisés en réseau. Le refroidissement ultra-rapide qui suit fige cette structure avant qu’elle ne redevienne désordonnée.

Ce procédé présente plusieurs avantages majeurs: il est très rapide, ne nécessite pas de solvants chimiques, et permet d’obtenir un matériau proche du graphène à partir de déchets et à bas coûts.