Les Prix Nobel de Physique

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1 Revue des Questions Scientifiques, 2011, 182 (1) : Les Prix Nobel de Physique Le graphène : un matériau miracle Amand A. LUCAS amand.lucas@fundp.ac.be A. L annonce En octobre 2010, le Prix Nobel de Physique a été attribué conjointement à André Geim et Konstantin Novoselov de l Université de Manchester au Royaume Uni «for groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene». Voir B. Courte Biographie Les lauréats sont tous deux d origine soviétique. Geim (à gauche sur la photo de la Fig.1) est né en Il a obtenu son PhD à l Institut de l Etat Solide de l Académie des Sciences de l URSS en 1987 puis a effectué plusieurs séjours postdoctoraux dans diverses universités européennes. Son co-lauréat Novoselov est né en Il obtint son PhD en 2004 à Nijmegen aux Pays Bas, sous la direction (partagée) de son compatriote Geim dont il est devenu le collaborateur principal pour leurs travaux ultérieurs. Les deux collègues comptent parmi les centaines de scientifiques de haute valeur issus de la diaspora scientifique russe qui, à la faveur de la désintégration de l URSS en 1989, a cherché à s intégrer dans la communauté scientifique occidentale. Àseulement 36 ans, Novoselov est le troisième plus jeune prix Nobel de physique, après Rudolf Mössbauer (32 ans en 1961) et Laurence Bragg (25 ans en 1915).

2 104 revue des questions scientifiques Geim et Novoselov furent nommés professeurs à l université de Manchester en Leur plus haute distinction, avant la consécration suprême d aujourd hui, avait été l Europhysics Prize (fondé en 1975 par Hewlett-Packard et repris en 2000 par Agilent technologies) décerné par l European Physical Society. La citation de ce prix prestigieux «pour leur découverte et l isolement d une couche autosupportée de carbone (graphène) et pour l élucidation de ses propriétés électroniques remarquables», laissait déjà entendre les sirènes de Stockholm. Fig.1 Photo des deux Prix Nobel de Physique 2010 (Geim à droite) C. D un Nobel à l autre Dans les années 1990, Geim s était déjà rendu célèbre pour son imagination expérimentale dans des domaines très variés, notamment pour ses expériences sur la lévitation magnétique de substances et d objets divers dans un champ magnétique intense. Une de ces expériences impliquait la lévitation d animaux tout entiers, par exemple celle particulièrement spectaculaire d une grenouille vivante. Cette prouesse, à première vue frivole, devait lui valoir de partager, en 2000, le prix Nobel Ig de physique «for using magnets to levitate a frog». Chaque année une organisation appelée Improbable Research de l Université Harvard décerne des «Ignobel Prizes» dans toute une série de disciplines, for achievements that first make people LAUGH then make them THINK. Si la rigolade précède bien la réflexion lors des annonces annuelles des Ig Nobel, l ordre des choses est très souvent inversé pour les lauréats : Geim (et son co-lauréat Ig Nobel, le très sérieux Michael Berry, du Berry s

3 le graphène : un matériau miracle 105 phase en physique quantique), avait d abord pensé à la lévitation diamagnétique bien avant d en rire 1. Car il s agissait, en l occurrence, d invalider un «théorème» très ancien de l électromagnétisme, selon lequel il est impossible de faire léviter de manière stable un aimant dans un champ magnétique. Le théorème ne prévoyait pas le cas de l aimantation induite par les courants diamagnétiques créés dans l objet lui-même par un champ très intense. Ce type de lévitation se réalise très facilement et de façon spectaculaire avec les matériaux supraconducteurs dans lesquels les courants diamagnétiques macroscopiques ne rencontrent aucune résistance. N a t on pas envisagé d appliquer les supraconducteurs à haute température pour faire léviter des trains tout entiers? Toujours dans le registre des idées à première vue farfelues, Geim, avec Novoselov et d autres chercheurs 2, devaient encore se distinguer pour leurs recherches sur une autre espèce de système d anti-gravité. Il s agissait ici de suspendre des objets au plafond au moyen d un adhésif sec basé sur la simple interaction de van der Waals, imitant en cela le lézard gecko, les mouches ou le célèbre spider-man. D. Les carbones Le Carbone est un des éléments les plus abondants dans l univers. Malgré son exploitation très ancienne (en tant que matériau de combustion, de construction, de joaillerie, etc ) et malgré qu il soit un des matériaux les plus étudiés de l histoire des sciences, une révolution scientifique et technique s est encore produite aussi récemment qu en 1986 et est toujours en cours. D abord ce fut la découverte des fullerènes par H. Kroto, R. Smalley et R. Curl (prix Nobel de chimie en 1996). Pendant les 25 ans qui nous séparent de cette découverte fondamentale, l histoire du carbone n a pas cessé de se répéter et de nous étonner. Au début des années 1990 intervint la découverte de fullerènes allongées en forme de cylindre, les nanotubes de carbone, mono- ou multicouches, fermés ou ouverts à leurs extrémités. Àla fin du 20 ème siècle, il y eut celle des nano-cônes, feuillets de carbone hexagonal roulés en cornet de frites. Enfin, au début du 21 ème siècle, nous arrive la «découverte» du graphène (Fig.2) ou plutôt son isolement du matériau mère, le graphite qui est un em- 1. M.V. Berry and A.K. Geim, Of Flying Frogs and Levitrons, European Journal of Physics 18, 1997, p A.K. Geim et al, Microfabricated Adhesive Mimicking Gecko Foot-Hair, Nature Materials 2, (2003)

4 106 revue des questions scientifiques pilement ordonné de feuillets monoatomiques de graphène en interaction de van der Waals. Le graphène peut être considéré comme un membre de la famille nombreuse des fullerènes dont le membre le plus connu est la molécule de C 60. En effet, il constitue le cas limite de la configuration d un feuillet d hexagones de carbone lorsque le nombre de pentagones (ou heptagones) incorporés dans le feuillet (pour en induire la courbure) passe de 12 (fullerènes fermées) à zéro. Le graphène peut être compris aussi comme la limite des nano-cônes (fullerènes ouvertes) lorsque l ouverture du cône vaut π. Inversement un nano-cône d ouverture d environ 30 par exemple peut être obtenu en introduisant un défaut dans le graphène de la manière suivante : en partant du feuillet plat, on enlève un quartier triangulaire d atomes de 60, puis on joint les deux lèvres de la coupure pour former un cône, ce qui ne peut se faire qu en enroulant le feuillet en cornet de frites et en faisant apparaître un pentagone au sommet du cône. La liste de ces formes géométriques simples, ou combinées entre elles, du carbone sp 2 et de ses composés inorganiques ne semble pas avoir de fin, pas plus que la liste des molécules biologiques construites sur cet élément. Fig.2 Le graphène

5 le graphène : un matériau miracle 107 E. Le matériau miracle Du point de vue de la physique fondamentale, le graphène, sous sa forme idéalisée d un feuillet hexagonal sans bord (Fig.2), constitue le seul vrai cristal connu à deux dimensions capable de s auto supporter. L absence complète de défauts atomiques dans la structure parfaite en treillis de poule ou en nid d abeille, combinée avec la force de la liaison sp 2 du carbone trivalent confèrent à ce «matériau miracle» beaucoup de ses propriétés mécaniques et électroniques remarquables et souvent uniques par rapport à d autres matériaux tels que les métaux. La référence 3 donne une revue des propriétés électroniques fondamentales. Dans les six dernières années depuis leur découverte initiale 4, les lauréats Nobel du graphène avec leurs multiples collaborateurs et des milliers de chercheurs du monde entier se sont livrés à une course à l étude de ces propriétés souvent atypiques et surtout prometteuses d applications traditionnelles ou entièrement nouvelles. Une liste non exhaustive de ces propriétés et applications est proposée ci-dessous. Une revue plus technique des applications technologiques envisagées à la fois pour les nanotubes et pour le graphène a été publiée récemment par Avouris et al 5. Propriétés mécaniques La force de rupture intrinsèque d une feuille unique de graphène présumée sans défaut a été mesurée 6 à 42 Nm -1, ce qui correspond à un module de Young de 1 TPa (cinq fois le module de Young de l acier de 200 GPa). 42 N étant le poids d une masse de 4,2 kg, cette force permettrait de supporter le poids d un gros chat sur un hamac de graphène d 1 m 2 (lequel pèse 1 mg, le poids d un poil de moustache du chat). Àune autre échelle, un film mince de 1 mm d épaisseur, fait de 3000 feuillets de graphène (graphite sans défaut), supporterait le poids d un véhicule de plusieurs tonnes. La force de rupture par unité de longueur est la même que celle d un nanotube de carbone monocouche par unité de longueur de son périmètre. Cette résistance sous traction est telle que des cordes de nanotubes ont été envisagés pour construire des 3. A. H. Castro Neto et al, The electronic properties of graphene, Rev. Mod. Phys. 81, Janv K.S. Novoselov et al, Electric field effect in atomically thin carbon films Science 306, Oct.22, Phedon Avouris et al, Nature Nanotechnology 2, 605 (2007). 6. Changgu Lee et al, Science 321, (2008).

6 108 revue des questions scientifiques rampes, «ascenseurs» potentiels pour transporter des charges en orbite terrestre!! Une autre propriété mécanique propre au graphène, à l opposé de la précédente, est son élasticité plutôt molle pour des déformations de flexions transversales illustrées à la Fig.3. Ces vibrations sont du type ZA (out of plane, Transverse Acoustic), une des trois familles de phonons acoustiques dont les deux autres sont les phonons longitudinaux LA (in plane, Longitudinal Acoustic) et transverses TA (in plane, Transverse Acoustic). Ces deux derniers ont des coefficients de rigidité beaucoup plus grands que le mode ZA. Fig 3. Ondulations transversales du graphène À faibles amplitudes et à grandes longueurs d onde, les ondulations ZA n impliquent aucun allongement des liaisons C-C au premier ordre, seulement une légère déformation angulaire de ces liaisons, en sorte que les fré-

7 le graphène : un matériau miracle 109 quences de ces modes sont très basses et que la relation de dispersion (fréquence en fonction du vecteur d onde) est de type parabolique, w = ek 2 où k est le vecteur d onde et e la constante d élasticité transverse. Une bonne approximation de la valeur de cette dernière a été mesurée par spectrométrie HREELS (high resolution electron energy loss spectroscopy) par notre collègue et ami japonais Chuhei Oshima et ses collaborateurs 7, non pas sur le graphène autosupporté lui-même, inconnu à l époque, mais bien sur une mono-couche de graphite déposée sur un métal (graphène supporté). Par la suite, avec mon collègue Ph. Lambin et feu le regretté Prix Nobel de chimie R. Smalley 8, nous avons utilisé cette donnée élastique empirique pour prédire le rayon de courbure minimum d un nanotube de carbone monocouche. Le résultat de 0.35 nm, est en bon accord avec les observations 8. Les fréquences des modes de flexion ZA ont tendance à augmenter lorsque le graphène est soumis à une traction parallèle à son plan car cette traction augmente la longueur des liaisons C-C et donc la force de rappel pour les déformations perpendiculaires à ces liaisons. C est «l effet membrane» familier dans le cas du tambour ou de la corde tendue des instruments de musique dont les fréquences augmentent avec la tension. Propriétés électroniques individuelles Des mesures de conductivité électrique du graphène par nos deux lauréats et d autres collaborateurs 9 ont révélé des mobilités des porteurs de charge supérieures à cm 2 /V à basses températures, comparables à nouveau à celles des nanotubes de carbone. Ces valeurs sont largement supérieures à celles des autres matériaux conducteurs, métalliques ou semi-conducteurs aux mêmes températures. Les résultats observés indiquent un transport balistique 10 des porteurs qui ne rencontrent pratiquement pas d obstacle sur des longueurs de l ordre du mm. Un tel mode de transport confèrerait aux dispositifs électroniques en graphène, tels que transistors et autres, des vitesses de fonctionnement très supérieures à celles des transistors à semi-conducteurs dans 7. Chuhei Oshima et al, Phonon dispersion in monolayer graphite formed on Ni(111) and Ni(001), Surface Science 237, (1990). 8. A. Lucas, Ph. Lambin, R.E. Smalley, On the energetics of tubular fullerenes, J. Phys. Chem. Sol. 54, 587 (1993). 9. S. V. Morozov et al, Giant Intrinsic Carrier Mobilities in Graphene and Its Bilayer, Phys. Rev. Lett. 100, (2008). 10. Y.-W. Tan et al, Temperature dependent electron transport in graphene, Eur. Phys. J. Special Topics 148, 15 (2007).

8 110 revue des questions scientifiques lesquels c est le lent entrainement diffusionel d ensemble des porteurs de charge au niveau de Fermi qui assure le transport du courant électrique. Àplus hautes températures 11, la résistivité du graphène augmente tout de même par suite de la diffusion des porteurs par les modes d ondulations TA de basses fréquences mentionnés plus haut et illustrés à la Fig.3. Un transistor à graphène exploite la topologie spéciale de la structure de bandes d une monocouche de graphite auto supportée. La bande de valence pleine et la bande de conduction vide se touchent aux 6 points (K) de la zone de Brillouin hexagonale (voir En bias nul, l énergie de Fermi E F se situe en ces points K où il n y a pas de gap et où la densité des états électroniques s annule (semi-métal ; si le graphène est limité par des bords, le gap peut s ouvrir). La caractéristique donnant la résistivité r(v g ) en fonction de la tension de bias V g d un transistor à graphène est illustrée en Fig.5 (celle-ci est empruntée au discours Nobel de Novoselov ; voir Fig 4. Courbe de résistivité du graphène en fonction de la tension appliquée. Les cônes sont les portions des bandes d énergie aux points K de la zone de Brillouin. Le remplissage des états jusqu au niveau de Fermi E F est indiqué sur chaque partie de la figure. Voir K.S. Novoselov et al. Science 306, 666 (2004).

9 le graphène : un matériau miracle 111 Grâce à l absence de gap aux points K, on obtient une énorme diminution de la résistivité, que ce soit en polarisation positive ou négative, par rapport à la résistivité en l absence de bias, par suite de la population de la bande de conduction ou de la dépopulation de la bande de valence, respectivement 12. Les porteurs de charges sont des électrons en bias V g positifs et des trous en bias négatifs et possèdent des mobilités similaires. Cette caractéristique et la mobilité élevée sont des propriétés très favorables pour la réalisation de transistors ultra rapides. À cause de la linéarité de la relation de dispersion E( k ) conique près des points K de la Fig.4, le Hamiltonien des porteurs peut s écrire formellement H = v F s.p où p = ħk est l impulsion, s est le vecteur des matrices de Pauli et v F = 10 6 m/s la vitesse de Fermi, mesurant l angle d ouverture des cônes. Si l on compare cette relation au Hamiltonien de Dirac H = ca.p + m 0 c 2 b d'une particule libre de masse au repos m 0 où a et b sont les matrices de Dirac, il apparait que les électrons du graphène au voisinage des points K, même en négligeant leur vrai spin, se comportent formellement comme des particules pseudo relativistes de Dirac de masse nulle (m 0 = 0) dans un milieu à deux dimensions où la vitesse de la lumière serait v F plutôt que c. Cette curieuse analogie formelle a été décrite 12, 3 en détail par nos deux lauréats Nobel et leurs collaborateurs. Une autre conséquence pratique de la structure de bande spéciale du graphène est la facilité avec laquelle le feuillet peut être chargé, d où son utilisation potentielle en tant que super-capacité 13. L absence de gap fait que des charges statiques (négatives ou positives) peuvent être facilement injectées dans des feuillets dès qu ils sont portés à un potentiel si faible soit-il (du moins lorsque le gap est nul). Une configuration de multiples feuillets de graphène chiffonnés telle qu illustrée en Fig.5 et développée à l échelle macroscopique permettrait d atteindre des surfaces spécifiques énormes et donc une capacité de charge géante. Ceci conduirait à l obtention d un condensateur dont la densité d énergie électrostatique pourrait être comparable à la densité d énergie chimique des hydrures de Nickel envisagés pour le stockage de l hydrogène atomique, avec l avantage supplémentaire d une durée de charge ou de 12. K.S. Novoselov et al, Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene. Nature 438, 197 (2005). 13. Chenguang Liu et al, Graphene-Based Super capacitor with an Ultrahigh Energy Density, Nano Lett. 10, 4863 (2010). Voir aussi

10 112 revue des questions scientifiques décharge fortement abrégée à quelques secondes plutôt qu en des heures pour les hydrures. Fig.5 Feuillets de graphène orientés au hasard pour la réalisation de super-capacités. Propriétés électroniques collectives. En général, dès que des agrégats condensés d atomes ou de molécules atteignent une certaine taille (quelques dizaines de particules), de nouveaux modes électroniques caractéristiques et de nature collective se développent comme conséquence de l interaction coulombienne à longue portée entre les électrons du matériau. Dans les métaux ou les semi-conducteurs dopés, ces modes d excitations, différents des excitations électroniques individuelles, portent le nom de plasmons. Le carbone se distingue particulièrement à cet égard car toutes les formes de carbone trivalent (graphite, fullerènes, oignons de carbone, nanotubes, nano-cônes, hydrocarbures poly-aromatiques, etc...) présentent deux familles de plasmons caractéristiques, l une associée aux excitations collectives des électrons p (plasmons p) et l autre associée aux excitations de l ensemble des électrons de valence (plasmons p+s) du matériau. Les quanta d excitations de ces plasmons valent ħω p ~ 5-6 ev ou ħω s ~ ev, respectivement.

11 le graphène : un matériau miracle 113 Les lauréats Nobel n ont pas manqué de mettre en évidence l existence de ces plasmons également dans le graphène, ainsi que l ont montré Novoselov et al. (ref 14). Un déplacement important des fréquences vers le rouge a été observé (et justifié par le calcul 14 ), lorsque le nombre de couches de graphène superposées diminue. Or, une propriété macroscopique résultant de l existence des modes collectifs est l interaction de van der Waals ou adhésion entre les feuillets de graphène. Cette interaction reçoit une contribution majeure venant de l énergie de point zéro, ħω p /2 et ħω s /2, des modes collectifs. On voit tout de suite que le glissement vers le rouge des fréquences des modes collectifs en fonction du nombre de couches de graphène doit se traduire par une interaction attractive de van der Waals entre feuillets. L origine quantique et le modèle d attraction de van der Waals en termes de shift d énergie de point zéro est due à Fritz London. L interaction est parfois appelée erronément l effet Casimir, du nom du chercheur qui l a étudiée à la limite dite retardée c est-àdire pour les grandes distances entre objets. L effet Casimir ne joue qu un rôle tout à fait négligeable dans l adhésion des feuillets de graphène les uns aux autres. Une interaction de van der Waals existe aussi entre nanotubes de carbone qui ont tendance à adhérer les uns aux autres en s agglomérant en faisceaux ou cordes multitubes et également entre fullerènes globulaires du type C 60. Dans ce dernier cas, l interaction est suffisamment forte (de l ordre de 2 ev par molécule) pour stabiliser la fullerite (cristal de C 60 ) à la température ordinaire 15. Propriétés optiques Nous mentionnerons seulement une des propriétés optiques spectaculaires du graphène. Elle concerne sa transmission optique dans le visible. Des mesures ont montré que le graphène atténue la lumière visible d environ 2.3%. C est une diminution substantielle pour une seule couche atomique de matériau. On peut donc «voir» un fragment de graphène à l œil nu dans un microscope optique en repérant l atténuation (Fig.6). 14. K.S. Novoselov et al, Plasmon spectroscopy of free-standing graphene films, Phys. Rev. B77, (2008). 15. Ph.Lambin, A. Lucas, J.P. Vigneron, Polarization waves and Van der Waals cohesion of C 60 fullerite, Phys. Rev. B46, (1992).

12 114 revue des questions scientifiques a b Fig.6 a. Atténuation de la lumière par le graphène dans le visible pour une monocouche (au centre) et pour une bi-couche (à droite) par rapport à l air (à gauche). L atténuation est de 2.3% par couche 16. b. transmission théorique (1+pa/2) -2 ~ 1- pa = 97.7 %, indépendante de l'énergie des photons 17, comparée aux mesures. Qu en est-il de la transparence de multicouches? La Fig.6 répond à cette question. On constate que la transparence diminue par quanta réguliers de 2.3% pour chaque couche ajoutée. Mais le plus remarquable, comme les lauréats Nobel et leurs collaborateurs 16 ont pu le montrer expérimentalement, c est que ce quantum d atténuation est universel et donné par le produit pa ~ du nombre p = 3.14 par la constante de structure fine a = e 2 /ħc ~ 1/137 de la mécanique quantique relativiste! Ce résultat surprenant est encore une conséquence de la structure électronique en bandes coniques aux points de Dirac du graphène 16, 17. Malheureusement, aussi spectaculaire que soit cette propriété, elle n a pas encore pu être exploitée à des fins métrologiques, comme le fut l effet Hall quantique dans une couche électronique semi-conductrice à deux dimensions, en vue d améliorer la connaissance de la constante fondamentale a. La propriété de relativement bonne transparence optique laisse entrevoir une application électro-optique importante. Il s agit de la combiner avec la 16. Nair, R. R. et al, Fine Structure Constant Defines Visual Transparency of Graphene, Science 320, 1308 (2008). 17. L. A. Falkovsky, S. S. Pershoguba. Phys. Rev. B 76, (2007).

13 le graphène : un matériau miracle 115 haute conductivité électrique de type métallique du graphène discutée précédemment. On envisage en effet de remplacer le matériau semi-conducteur ITO (Indium Tin Oxide), utilisé en film mince de moins bonne transparence (80%), par le graphène pour réaliser la fonction de transparence contrôlable électriquement dans les affichages par cristaux liquides. Conductivité thermique La conductivité thermique du graphène, comme sa conductivité électrique, atteint des valeurs extraordinairement élevées comparées à celles des meilleurs conducteurs de chaleur tels que le cuivre, le diamant ou le graphite. Elle peut atteindre plusieurs milliers de W/m.K pour le graphène auto-supporté 18 et plusieurs centaines de W/m.K, valeurs toujours supérieures à celle du cuivre, même lorsque le feuillet est posé sur un substrat par lequel il peut perdre de la chaleur 19. La conductivité thermique est encore similaire à celle des nanotubes monocouches 20. De nouveau, à basses températures, la conductivité est limitée par la diffusion sur les modes d ondulations ZA de la Fig.3, car leur relation de dispersion est quadratique plutôt que linéaire. E. Conclusions Il n a pas été possible, sur une douzaine de pages, de faire un recensement complet des multiples propriétés découvertes et des applications envisagées pour ce nouveau «matériau miracle». Bien d autres progrès des connaissances sur le carbone ont été réalisés auxquels les lauréats Nobel de 2010 ont beaucoup contribué 3, 5. Il existe encore bien d autres possibilités, du moins sur le plan des principes, que rendent possibles dans un avenir plus ou moins proche les caractéristiques électroniques uniques de ce nouveau matériau auquel les scientifiques ont attaché tellement d intérêt dans les quelques dernières années (le lecteur pourra se tenir au courant de l évolution de la vague d intérêt actuelle en consultant le site Mentionnons 18. Jae Hun Seo I et al, Two-Dimensional Phonon Transport in Supported Graphene, Science 328, 213 (2010). 19. S. Ghosh et al, Extremely high thermal conductivity of graphene: Prospects for thermal management applications in nanoelectronic circuits, Appl. Phys. Lett. 92, (2008). 20. Savas Berber et al, Unusually High Thermal Conductivity of Carbon Nanotubes, Phys. Rev. Lett. 84, 4613 (2000).

14 116 revue des questions scientifiques encore seulement deux exemples relevant probablement du domaine de l utopie. Certains parlent de construire, sur un substrat de graphène allié à l inévitable ADN, des senseurs de gaz ultra sensibles (Fig.7) aussi performants que la «truffe» des chiens 21. Fig.7 Schéma de principe d un senseur à gaz basé sur un substrat de graphène couvert de monobrins d ADN. Ceux-ci portent des séquences de nucléotides sensibles à certaines molécules de gaz dont l adsorption sélective sur ces sites modifierait la conductivité du substrat 21 de graphène de manière spécifique. (Création Robert R Johnson, Institute for Computational Molecular Science, Temple University) 21. Ye Lu et al, DNA-decorated graphene chemical sensors, Appl. Phys. Lett. 97, (2010).

15 le graphène : un matériau miracle 117 Fig.8 Représentation schématique du principe d un séquenceur d ADN basé sur le graphène (voir texte). (Création Robert R Johnson, Institute for Computational Molecular Science, Temple University). D autres rêvent de révolutionner la technologie du séquençage de l ADN lui-même. Une «vue d artiste» du principe d un séquenceur d ADN est montrée à la Fig.8. On y voit un brin d ADN bi caténaire (chargé négativement par ses groupes phosphates) se faufiler à travers un trou nanoscopique dans le graphène, simultanément avec les ions d un électrolyte physiologique, le tout entraîné par un champ électrique. Le principe consiste à mesurer la conductance du transport d ions à travers le nano-pore sous une tension appliquée de part et d autre du graphène. Les valeurs de la conductance varieraient d une manière spécifique selon le nucléotide A, T, G ou C qui, avec les ions de la solution buffer, obstruent partiellement l orifice 22,23. La vitesse de défilement 22. Gregory F. Schneider et al, DNA Translocation through Graphene Nanopores, Nano Lett. 10, 3163 (2010). 23. Philip Ball, Speed reading, Physics World 23, 24 (2010).

16 118 revue des questions scientifiques du fragment d ADN à travers le trou et le traitement électronique massivement parallèle des signaux de milliers de pores sur un support adéquat, augmenterait énormément les vitesses de séquençage par rapport à celles actuellement atteintes par les méthodes biochimiques existantes. Enfin terminons par un rêve architectural dans l univers nanoscopique: le mariage du graphène et des nanotubes de carbone pour construire un super tamis moléculaire. Fig. 9 Un rêve architectural nanoscopique: un tamis moléculaire entièrement construit avec du carbone pur, mariant la géométrie plane du graphène avec la géométrie cylindrique des nanotubes. Notez la présence d heptagones aux jonctions graphène-nanotube. Le lecteur friand de vidéo didactiques sur internet consultera avec intérêt les splendides exposés sur les différents types de carbone aux adresses suivantes :