Recherche sur le graphène : de nombreux produits, pas de dangers aigus
Achèvement réussi du programme phare de l'UE sur le graphène
La plus grande initiative de recherche jamais lancée par l'UE s'est achevée avec succès : Le "Graphene Flagship" s'est achevé officiellement à la fin de l'année dernière. Des chercheurs de l'Empa y ont participé, comme le biologiste moléculaire Peter Wick qui a participé dès le début au work package "Health and Environment" et qui vient de résumer avec des collègues internationaux les résultats obtenus dans ce domaine dans un article de synthèse publié dans la revue spécialisée ACS Nano.
L'initiative "Graphene-Flagship" a étudié les effets du graphène (bleu) et des matériaux apparentés sur la santé et l'environnement. Microscopie électronique à balayage colorée.
Empa
Voir grand. En dépit de son thème de recherche, telle pourrait être la devise du Graphene Flagship, lancé en 2013 : Avec un budget global d'un milliard d'euros, il s'agit de la plus grande initiative de recherche européenne à ce jour, à côté du Human Brain Flagship, qui a été lancé au même moment. Il en va de même pour l'article de synthèse sur les effets du graphène et des matériaux apparentés sur la santé et l'environnement que les chercheurs de l'Empa Peter Wick et Tina Bürki viennent de publier avec 30 collègues internationaux dans la revue scientifique ACS Nano ; sur 57 pages, ils résument les découvertes sur les risques sanitaires et écologiques des matériaux en graphène, la liste des références comprend près de 500 publications originales.
Une mine de connaissances qui donne le feu vert. "Nous avons étudié les effets aigus potentiels de divers graphènes et matériaux apparentés sur les poumons, le tractus gastro-intestinal et le placenta, et aucun effet grave d'endommagement cellulaire aigu n'a été observé dans aucune des études", déclare Peter Wick pour résumer les résultats. Bien que des réactions de stress puissent certainement se produire dans les cellules pulmonaires, le tissu se rétablit assez rapidement. Cependant, certains matériaux 2D plus récents, tels que les nitrures de bore, les dichalcogénures de métaux de transition, les phosphènes et les MXènes n'ont pas encore fait l'objet de beaucoup d'études, souligne Peter Wick ; des recherches plus approfondies sont nécessaires dans ce domaine.Dans leurs analyses, Wick et Co. ne se sont pas limités aux matériaux de type graphène nouvellement produits, mais ont également examiné l'ensemble du cycle de vie des diverses applications des matériaux contenant du graphène. En d'autres termes, ils ont étudié des questions telles que : "Que se passe-t-il lorsque ces matériaux sont abrasés ou brûlés ? Des particules de graphène sont-elles libérées et cette fine poussière peut-elle nuire aux cellules, aux tissus ou à l'environnement ?
Un exemple : L'ajout de quelques pour cent de graphène à des polymères, tels que les résines époxy ou les polyamides, améliore considérablement les propriétés des matériaux, telles que la stabilité mécanique ou la conductivité, mais les particules d'abrasion ne provoquent aucun effet nanotoxique spécifique au graphène sur les cellules et les tissus testés. L'équipe de Peter Wick pourra poursuivre ces recherches même après la fin du projet phare, grâce à un financement de l'UE dans le cadre des projets dits "Spearhead", dont Peter Wick est le chef adjoint.
En plus de l'équipe de Peter Wick, les chercheurs de l'Empa dirigés par Bernd Nowack ont utilisé des analyses de flux de matières dans le cadre du Graphene Flagship pour calculer l'impact potentiel futur sur l'environnement des matériaux contenant du graphène et ont modélisé quels écosystèmes sont susceptibles d'être affectés et dans quelle mesure. L'équipe de Roland Hischier, comme celle de Bernd Nowack au laboratoire Technologie et Société de l'Empa, a utilisé des analyses du cycle de vie pour étudier la durabilité environnementale de différentes méthodes de production et d'exemples d'application pour divers matériaux contenant du graphène. L'équipe de Roman Fasel du laboratoire nanotech@surfaces de l'Empa a quant à elle fait progresser le développement de composants électroniques basés sur d'étroits rubans de graphène.
Un succès européen pour la recherche et l'innovation
Lancé en 2013, le Graphene Flagship représentait une toute nouvelle forme de recherche commune et coordonnée à une échelle sans précédent. L'objectif de ce projet à grande échelle était de réunir des chercheurs d'institutions de recherche et de l'industrie pour faire passer les applications pratiques basées sur le graphène du laboratoire au marché dans les dix ans, créant ainsi de la croissance économique, de nouveaux emplois et de nouvelles opportunités pour l'Europe dans des technologies clés. Au cours de ses dix années d'existence, le consortium a rassemblé plus de 150 équipes de recherche universitaires et industrielles dans 23 pays, ainsi que de nombreux membres associés.
En septembre dernier, la période de financement de dix ans s'est achevée par la semaine du graphène à Göteborg, en Suède. Le rapport final démontre de manière impressionnante le succès de cet ambitieux projet à grande échelle : Le programme phare a "produit" près de 5 000 publications scientifiques et plus de 80 brevets. Il a créé 17 entreprises dérivées dans le secteur du graphène, qui ont levé un total de plus de 130 millions d'euros en capital-risque. Selon une étude de l'institut allemand de recherche économique WifOR, le programme phare sur le graphène a généré une valeur ajoutée totale d'environ 5,9 milliards d'euros dans les pays participants et créé plus de 80 000 nouveaux emplois en Europe. Cela signifie que l'impact du Graphene Flagship est plus de 10 fois supérieur à celui de projets européens plus courts.
Au cours de ce projet, l'Empa a reçu au total environ trois millions de francs suisses, ce qui a eu un effet "catalyseur", comme le souligne Peter Wick : "Nous avons triplé cette somme grâce à des projets ultérieurs d'un montant total de 5,5 millions de francs suisses, y compris d'autres projets de l'UE, des projets financés par le Fonds national suisse de la recherche scientifique (FNS) et des projets de coopération directe avec nos partenaires industriels – et tout cela au cours des cinq dernières années".
Mais l'avantage de tels projets va bien au-delà du financement généreux, souligne Peter Wick : "Il est vraiment unique d'être impliqué dans un projet d'une telle envergure et dans un réseau aussi large sur une période aussi longue. D'une part, cela a donné lieu à de nombreuses nouvelles collaborations et idées de projets. D'autre part, le fait de travailler avec des partenaires internationaux sur une période aussi longue a une toute autre qualité : nous nous faisons une confiance presque aveugle, et une équipe aussi bien coordonnée est beaucoup plus efficace et produit de meilleurs résultats scientifiques", est convaincu Peter Wick. Enfin, de nombreuses amitiés personnelles se sont nouées.
Une nouvelle dimension : le graphène et d'autres matériaux 2D
Le graphène est un matériau extrêmement prometteur. Il se compose d'une seule couche d'atomes de carbone disposés en nid d'abeille et possède des propriétés extraordinaires : résistance mécanique exceptionnelle, flexibilité, transparence et conductivité thermique et électrique hors du commun. Si le matériau déjà bidimensionnel est encore plus restreint dans l'espace, par exemple en un ruban étroit, il est possible de créer des effets quantiques contrôlables. Cela pourrait permettre un large éventail d'applications, de la construction de véhicules à l'informatique quantique, en passant par le stockage de l'énergie.
Pendant longtemps, ce "matériau miracle" n'a existé qu'en théorie. Ce n'est qu'en 2004 que les physiciens Konstantin Novoselov et Andre Geim de l'université de Manchester ont pu produire et caractériser spécifiquement le graphène. Pour ce faire, les chercheurs ont enlevé des couches de graphite à l'aide d'un morceau de ruban adhésif jusqu'à obtenir des flocons d'un seul atome d'épaisseur. Ces travaux leur ont valu le prix Nobel de physique en 2010.
Depuis, le graphène fait l'objet de recherches intensives. Entre-temps, les chercheurs ont découvert d'autres matériaux 2D, tels que l'acide graphénique dérivé du graphène, l'oxyde de graphène et les cyanographes, qui pourraient avoir des applications en médecine. Les chercheurs souhaitent utiliser des matériaux 2D inorganiques tels que le nitrure de bore ou les MXènes pour construire des batteries plus puissantes, développer des composants électroniques ou améliorer d'autres matériaux.
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