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Un nouveau graphène bat les records de conductivité thermique
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Constitué d’une simple couche d’atomes de carbone disposés en nids d’abeilles, le graphène est un matériau étudié depuis le début des années 2000 pour ses propriétés physiques remarquables : c’est en effet un excellent conducteur d’électricité, mais également le meilleur conducteur thermique connu aujourd’hui. Ce qui n’a pas empêché une équipe de physiciens chinois et américains de doubler sa conductivité thermique en modifiant subtilement sa composition chimique.
En 2008, une partie de cette même équipe, menée par l’Américain Alexander Balandin de l’université de Californie à Riverside, avait déjà mesuré la conductivité thermique du graphène. A 5300 watts par mètre et par kelvin à température ambiante, ce matériau bat tous les records dans ce domaine. A température équivalente, il écrase par exemple le cuivre, pourtant bon conducteur thermique avec 400 watts par mètre et par kelvin.
Les physiciens ont tenté de déterminer si on pouvait encore améliorer cette propriété. Ils ont pour cela fabriqué une nouvelle forme de graphène, dite isotopique. Dans la nature, on trouve deux formes stables du carbone, les isotopes, qui ne diffèrent que par le nombre de neutrons dans leur noyau : le carbone 12 et le carbone 13. Le premier est ultra-majoritaire et représente 98,9 % du total. Le second ne représente que 1,1 % de l’ensemble. C’est à l’aide de méthane gazeux, déposé en couches ultrafines, que les physiciens ont fabriqué du graphène isotopique constitué à 99,9 % de carbone 12 et 0,1 % de carbone 13.
Cette substitution de 1 % de carbone 13 par du carbone 12 a des conséquences remarquables sur les propriétés thermiques du matériau. La conductivité thermique du graphène isotopique est en effet presque deux fois plus élevée que dans sa forme naturelle. Quant aux propriétés électriques et mécaniques, elles restent identiques. Comment expliquer cette différence ? Parmi les hypothèses envisagées, le graphène isotopique transporterait mieux la chaleur grâce à sa masse (il est sensiblement plus léger) et sa structure atomique sensiblement différentes. Dans un solide, la conductivité thermique dépend des phonons, les modes de vibration des atomes entre eux. En modifiant la structure atomique du graphène, on favoriserait alors certains phonons, ce qui augmenterait le transport de chaleur au sein du réseau d’atomes de carbone.
« Cette expérience modifie notre vision du fonctionnement de la conductivité thermique » explique Clément Faugeras, du Laboratoire national des champs magnétiques intenses à Grenoble. « On comprend désormais mieux comment certains phénomènes microscopiques, ici une modification de la masse atomique, ont des conséquences macroscopiques sur la conduction thermique. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour l’étude de phénomènes thermiques dans d’autres matériaux uni ou bidimensionnels » poursuit-il.
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