Le graphène: matrice des bâtiments de demain ?

Le graphène a fait son entrée dans le monde scientifique en 2004, à Manchester, où il a été isolé pour la première fois. Ceci a valu un prix Nobel, en 2010, à Andre Geim et Konstantin Novoselov. Le graphène est un super matériau dans le sens où il a des propriétés physico-chimiques partagées avec d’autres matériaux, mais a un degrés d’efficacité beaucoup plus grand. 
       Le graphène est un cristal d’atomes de carbones 12 qui sont tous regroupés dans un même plan. C’est une sorte de feuillet de carbone, dont un gramme pourrait recouvrir l'équivalent d'un terrain de football. 
     Les nanotubes de carbone sont censés avoir une rigidité et une résistance axiale élevées grâce a leur liaison carbone-carbone sp2. L’application pratique des nanotubes nécessite l'étude de la réponse élastique, du comportement élastique, du flambement, du rendement la force à la rupture. Les nanotubes sont les fibres plus rigides connues, avec un module de Young de 1,4 Pa. Par effet de comparaison, le module de Young de l’acier est de 210 GPa (1 GPa=Pa) et du Kevlar est de l’ordre de 112 GPa.
　　L’autre paramètre important est la contrainte de rupture qui est la valeur maximale de contrainte que le matériau tient avant de se déformer ou de rompre. Alors que l’acier et le Kevlar possèdent des valeurs respectives de l’ordre de 400 Mpa et 3000 Mpa, (1 Mpa=10Pa) la contrainte de rupture des graphènes est de l’ordre de 1300000 MPa et celle des nanotubes de carbone peut varier de 11000 MPa à 63000 MPa selon le type, leur chiralité et le nombre de couches. On s’aperçoit que les graphènes et nanotubes de carbones sont des structures extrêmement résistances, mais le graphène surpasse ce que les ingénieurs du génie civil côtoient.　　
　　Les propriétés physiques présentées précédemment confèrent au graphène une résistance aux contraintes au moins cent fois supérieur que l’acier. Dans le Génie Civil, on pourrait donc imaginer des structures comme des bâtiments ou encore des grattes ciel en graphène. Ces bâtiments pourraient être résistants aux séismes, être beaucoup plus grands, ce qui rentrerait dans l’enjeu des protections de l’environnement : réduire l’impact de l’Homme sur les sols, et donc les paysages. 
　　De plus, le bâtiment pourrait être beaucoup plus léger, en raison de la faible densité du graphène comparé aux autres matériaux couramment utilisés dans le Génie Civil. Cette même propriété pourrait donner naissance un jour à des ponts, moins coteux, plus grands, préservés par les incroyables propriétés du graphène. Imaginez un pont Alaska-Sibérie, ou encore Afrique-Europe via le détroit de Gibraltar!
　　Certains scientifiques, dès la découverte du graphène, ont rêvé d’un ascenseur entre la Terre et la Lune. D’autres aspects nous semblent cependant plus intéressant: des villes entières restent à bâtir, comme en Afrique, ou en Inde. Le manque de pierre dans certaines partie du monde ont empêché le développement de structures résistantes. L’acheminement de graphène vers ces terres, dans lesquelles les populations souffrent dans des bidonvilles . Il faudra construire sur des superficies limitées afin de ne pas agrandir les zones urbaines et de détruire les écosystèmes voisins. Alors le graphène nous permet de rêver des des bâtiments, d’une surface au sol de 400 m² mais d’une hauteur de plusieurs milliers de mètres de haut. Des bâtiments solides, moins coûteux et utiles à l’homme, car il ne faut pas perdre de vu l’objectif du génie civil: suivre les progrès de l’humanité et en assurer le confort dans ses villes, ses déplacements, ses foyers.
　　Le graphène dispose aussi d’autres propriétés qui pourraient limiter son application dans le Génie Civil. Tout d’abord, les effets de tels nanotubes sont encore méconnus. Une certaine toxicité est envisageable, en effet, sous certaines conditions. Les nanotubes peuvent contaminer les cellules humaines environnantes, ce qui conduit à une mort de la cellule, ou pire, à une non-mort d’une cellule malade, soit cancérisation des tissus.
　　Les propriétés électriques du graphène pourraient entravé une mauvaise utilisation de ce matériaux. Imaginez un bâtiment de 2000 m de haut, conduisant encore mieux le courant electrique que le meilleur conducteur actuel.  Ces risques sont à prendre en compte, et à mesurer avant de mettre en place toutes infrastructures susceptibles d’atteindre à la vie d’un individu quelconque.


Sources: 

• Fonseca, Alexandre F. . Introdução às propriedades físicas e estruturais do grafeno e dos nanaotubos de carbono 2011 (Apostila - Mini-Curso).　
• RUOFF, Rodney S. Graphene Materials and Opportunities. Graphene the road to applications. [Powerpoint]. The University of Texas at Austin.