Graphite ou graphène : quelle est la différence ?

Bien qu'ils soient tous deux composés de carbone, le graphite et le graphène ne pourraient être plus différents. Ils possèdent un ensemble de caractéristiques particulières qui leur permettent d'être utilisés dans différents domaines. Dans cet article, vous découvrirez leurs structures, leurs utilisations et leurs coûts. Plongeons dans l'histoire.

Graphite vs Graphène

Qu'est-ce que le graphite ?

Le graphite (un allotrope du carbone) se présente sous la forme d'une grille hexagonale. Le graphène doit cette sensation lubrifiante à la capacité de ses couches à glisser les unes sur les autres. Le graphite est aujourd'hui présent dans les objets de la vie quotidienne, de nos crayons aux lubrifiants et même aux piles. Il reste un conducteur (même s'il n'est pas aussi conducteur que le graphène, en raison du fait qu'il est stratifié). Bon marché et relativement abondant, il est un candidat de choix pour de nombreuses utilisations industrielles.

Qu'est-ce que le graphène ?

Le graphène est un arrangement en nid d'abeille d'atomes de carbone en une seule couche. Son épaisseur est également d'un seul atome, ce qui signifie que le matériau lui-même peut être très fin tout en restant très résistant. Il est souvent qualifié de "matériau miracle" en raison de sa légèreté et de sa quasi-transparence, mais aussi parce qu'il est plus résistant que tout ce que nous avons jamais rencontré et qu'il présente une conductivité électrique respectable. Il est 200 fois plus résistant que l'acier et son épaisseur est d'un seul atome. Les applications sont nombreuses, de l'électronique aux appareils médicaux, et bien que le matériau soit relativement abondant dans la nature, sa création s'est avérée coûteuse et difficile.

Structure

Couches ou couche unique

Graphite : Constitué de nombreuses couches de feuilles de carbone empilées les unes sur les autres. Comme ces couches sont faiblement liées entre elles, elles peuvent facilement glisser l'une sur l'autre. C'est la raison pour laquelle le graphite nous semble glissant dans la main et se comporte également comme un lubrifiant.

Graphène : une seule couche alvéolée d'atomes de carbone, un matériau d'une épaisseur d'un atome avec une résistance et une flexibilité exceptionnelles.

Différences de collage

Graphite : Les couches étant maintenues ensemble par des forces primitives de van der Waals, le graphite est facile à diviser.

Graphène : ces atomes de carbone sont très étroitement liés au sein d'une seule couche, ce qui confère au graphène une résistance et une flexibilité formidables.

Propriétés du graphite et du graphène

Conductivité électrique

Le graphite : Alors que le graphite transfère également de l'électricité grâce aux électrons qui se déplacent librement entre ses couches, celles qui ne comportent pas de feuilles de graphène supplémentaires ne sont pas aussi conductrices. La résistance apparaît lorsque les couches sont séparées par une distance suffisamment grande.

Le graphène : l'un des meilleurs conducteurs électriques connus Parce que les électrons peuvent le traverser sans pratiquement aucune résistance, le graphène est un matériau naturel pour l'électronique à grande vitesse.

Résistance mécanique

Graphite : Doux et cassant. Le graphite se casse facilement, c'est pourquoi il est utilisé pour les mines de crayon. Il devient facilement cassant car les couches ne sont maintenues ensemble que par de faibles liaisons.

Graphène : il est extrêmement résistant, 20 fois plus que l'acier. Bien qu'il ne contienne qu'un seul atome de carbone, la structure du graphène est due à la solidité de son réseau cristallin et au fait que chaque liaison C-C a une résistance équivalente à celle du double de sa longueur.

4.3 Conductivité thermique

Graphite : Conductivité thermique décente, d'où son utilisation répandue, par exemple pour le refroidissement passif.

Graphène : conductivité thermique exceptionnelle. C'est l'un des meilleurs conducteurs d'énergie thermique, il constitue donc un bon choix pour le refroidissement des composants électriques.

Applications

Graphite

Les crayons : Les crayons utilisent le graphite comme "mine" parce qu'il ne s'étale pas trop, il marque facilement une surface et s'efface ensuite lorsque c'est nécessaire. Le graphite est constitué de feuilles en couche, ce qui permet d'écrire avec très peu de pression et de laisser une marque sur le papier.

Lubrifiants : Comme il est glissant, il entre dans la composition des lubrifiants pour éviter les frottements entre les machines. Les couches de graphite étant lisses, elles glissent facilement les unes sur les autres, créant ainsi une barrière solide qui réduit l'usure des pièces due au mouvement.

Batteries : Le graphite s'est également révélé être un élément intrinsèque qui peut remplir deux fonctions principales dans l'anode d'une batterie lithium-ion : la stabilité et le stockage efficace de l'énergie. Cette structure en couches permet aux ions lithium d'entrer et de sortir facilement pendant les cycles de charge/décharge.

Fabrication de l'acier : Lors de la fabrication de l'acier, il est généralement utilisé comme matériau réfractaire car il résiste à des niveaux élevés de chaleur. Pour ce faire, on utilise des doublures dans les fonderies et les fours de revêtement doivent maintenir une température constante, condition sine qua non pour la fabrication d'un acier de haute qualité.

Graphène

Électronique : Le graphène étant un excellent conducteur d'électricité, deux nouvelles expériences menées au Berkeley Lab et à l'UC San Diego pourraient permettre de l'utiliser à la place du silicium dans les puces électroniques, ce qui permettrait de fabriquer des appareils plus rapides, moins chauds et (idéalement) consommant moins d'énergie par calcul. Sa grande mobilité électronique le rend idéal pour la vitesse de commutation rapide nécessaire aux futures technologies informatiques.

Dispositifs médicaux : La biocompatibilité et la sensibilité du graphème le rendent idéal pour les biocapteurs, les systèmes d'administration de médicaments, l'ingénierie tissulaire, etc. Sa non-toxicité et sa compatibilité avec les systèmes biologiques le rendent intéressant pour les diagnostics médicaux ou les traitements thérapeutiques.

Stockage d'énergie : Les supercondensateurs et les batteries avancées pourraient utiliser le graphène à l'avenir pour permettre un temps de charge plus rapide et un stockage d'énergie plus important. Grâce à sa surface et à sa conductivité élevées, les performances des dispositifs de stockage d'énergie peuvent être améliorées et leur durée de vie prolongée.

Matériaux composites: Le graphène peut être combiné à d'autres matériaux tels que les métaux et les plastiques pour les rendre plus légers tout en les rendant plus résistants ou conducteurs d'électricité. Les applications potentielles de ces composites renforcés au graphène sont la réduction du poids, l'augmentation du rendement énergétique et l'amélioration des performances globales d'ablation.

Graphite vs Graphène : coût

Graphite : Faible

Abondance : Le graphite est disponible à peu de frais sous une forme naturelle courante. Exploité dans le monde entier, il s'agit d'un minéral facilement disponible et rentable.

Coûts de production : En raison de ses faibles coûts de production et de traitement, le graphite peut également être utilisé dans de nombreuses applications industrielles.

Graphène : élevé

Les défis de la production : La production de graphène est nettement plus difficile que celle de graphite. Bien que le h-BN monocouche puisse désormais être préparé par voie humide, les méthodes de fabrication existantes - telles que le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et les techniques d'exfoliation - restent coûteuses et ne sont pas facilement adaptables à la fabrication à grande échelle. Elles restent coûteuses et ne sont pas facilement extensibles pour une fabrication à grande échelle.

Tendances des prix : Malgré la tendance à la baisse des prix du graphène, le coût de ce matériau est beaucoup plus élevé que celui du graphite. Des travaux sont actuellement menés pour trouver des moyens plus rentables de produire du graphène afin que ce matériau devienne commercialement viable.

Conclusion

Le graphite et le graphène partagent certaines propriétés uniques similaires, ce qui en fait un groupe de matériaux important. Par conséquent, nous pouvons considérer le graphène comme l'étape finale de l'évolution du carbone. Le graphite a servi les industries pendant des décennies, mais le graphène est ce que beaucoup croient être le véritable changement de jeu qui peut perturber de nombreux domaines dans différents secteurs. Si les recherches actuelles permettent de produire du graphène à moindre coût et de manière plus simple, un monde où ce matériau d'un autre monde est roi n'est peut-être pas si éloigné. Que l'on respecte le pragmatisme du graphite ou que l'on soit séduit par le potentiel du graphène. Les deux devront travailler ensemble pour faire avancer la technologie et l'industrie.