Graphène : quels sont les avantages et les risques ?


L'irruption du graphène dans l'univers des nanomatériaux génère une véritable révolution en raison de ses propriétés étonnantes et des promesses d'applications qui éclipsent la science-fiction. Mais que savons-nous de sa sécurité humaine et environnementale ?

Qu'est-ce que le graphène et pourquoi est-il si important ?

Le graphène est un nouveau matériau carboné qui présente un potentiel d'innovation sans précédent grâce à ses propriétés extraordinaires : il est 200 fois plus dur que l'acier, plus conducteur que le cuivre et plus léger que tout autre matériau connu. Il s'agit du premier cristal bidimensionnel constitué d'une feuille, d'un atome d'épaisseur, d'atomes de carbone liés dans un réseau hexagonal.

Cette vidéo de l'American Chemistry Society (ACS) l'explique très bien...

 

Les applications vont de la médecine à l'assainissement de l'environnement, en passant par la production et le stockage d'énergie, les technologies de l'information et de la communication, les capteurs dans tous les domaines, la mise au point de nouveaux matériaux ultrasolides et pourtant ultralégers, etc. Des écrans fins comme du papier et enroulables, des bâtiments autoalimentés par des revêtements invisibles qui transforment la lumière du soleil en énergie électrique, des ustensiles de cuisine dotés de capteurs qui signalent les aliments avariés, des médicaments qui détectent et agissent sur les cellules cancéreuses, ou encore des membranes qui séparent le sel de l'eau de mer, garantissant ainsi de l'eau douce à toute la population et à des terres auparavant désertifiées. Tout est à portée de main.

Les attentes générées par ce supermatériau sont d'une telle portée que l'Union européenne a considéré la recherche dans ce domaine, avec celle sur le cerveau, comme l'un des fleurons de la recherche, créant le Graphene Flagship . En septembre 2014, la Commission européenne a défini ce type d'initiative comme "des projets de recherche scientifique visionnaires à grande échelle portant sur des défis scientifiques et technologiques majeurs". Lire ici.

Il s'agit d'initiatives à long terme visant à concentrer d'excellentes équipes de recherche de diverses disciplines, partageant un objectif commun unificateur et un plan de recherche ambitieux pour l'atteindre. Les Flagships sont orientés vers des impacts transformationnels en science et technologie qui offrent un avantage compétitif clé pour l'industrie européenne et des bénéfices importants pour la société. Le budget est d'un milliard d'euros pour les dix prochaines années. Le noyau du consortium européen rassemble 150 centres de recherche universitaires et industriels de 23 pays. Lire ici.

Pour comprendre l'ampleur de cet énorme projet, il suffit de mentionner les différents domaines et projets impliqués. Jusqu'à récemment, le "Graphene Flagship" intégrait 11 paquets de travail : WP 1 : Matériaux, WP 2 : Santé et environnement, WP 3 : Science fondamentale du graphène et matériaux 2D au-delà du graphène, WP4 : Électronique haute fréquence, WP5 : Optoélectronique, WP6 : Spintronique, WP7 : Capteurs, WP8 : Electronique flexible, WP9 : Energie, WP10 : Nanocomposites et WP11 : Production. A ce jour, l'évolution du projet, guidée par les résultats de la recherche, a donné lieu à 20 work packages regroupés en 5 divisions, dont celles de l'administration et de la gestion de projet.

 

 

Andre Geim (à droite) et Konstantin Novoselov

Tous dans la course

Selon les prévisions, le marché du graphène devrait passer de $20 millions en 2014 à plus de $390 millions en 2024. La course au développement des brevets a pris son envol peu après 2010, lorsque Andre Geim et Konstantin Novoselov ont reçu le prix Nobel de physique pour leurs travaux sur le graphène. Depuis lors, la production scientifique ne s'est pas arrêtée et les pays asiatiques sont en tête dans le domaine des brevets sur le graphène. Il suffit de voir ce que l'Office des brevets de Sa Gracieuse Majesté du Royaume-Uni avait à dire en 2013. (Voir pièce jointe à la fin)

Dans cette représentation, les territoires topographiques sont proportionnels au niveau de génération de brevets. Notez les petites étendues occidentales par rapport aux étendues orientales. Le nouveau rapport 2015 sur le paysage mondial des brevets sur le graphène continue de donner cette domination à l'Asie, menée par Samsung avec des familles de brevets ciblant l'électronique flexible et le stockage d'énergie.

La part du gâteau mondial des brevets sur le graphène, avant et après 2009. (Le paysage mondial des brevets en 2015. page 8).

Qu'en est-il de la sécurité humaine et environnementale ?

Le potentiel et l'intérêt du graphène sont clairs. Nous allons maintenant nous pencher sur les aspects de santé et de sécurité au travail du graphène. Comme nous l'avons vu, le programme phare sur le graphène comporte un module de travail consacré à la sécurité humaine et environnementale "en tant que partie indispensable de la réalisation du plein potentiel de bien-être, de croissance et de compétitivité que nous apporte le programme phare sur le graphène".

Le texte du WP2 est le suivant : La petite taille et les propriétés physico-chimiques uniques du graphène présentent des risques potentiels pour la santé humaine et l'environnement. L'identification et la résolution des problèmes potentiels de sécurité et de toxicité sont cruciales non seulement pour son intégration dans les TIC, les matériaux composites, etc., mais aussi compte tenu de ses applications biomédicales potentielles, telles que les dispositifs de nano-interface directe avec les cellules et les tissus. Ce work package (WP) est une exigence essentielle qui ne peut être dissociée du développement de nouvelles nanotechnologies. Le groupe est chargé d'étudier la sécurité du graphène pour l'homme et l'environnement. Il est dirigé par le professeur Maurizio Prato, de l'université de Trieste, en Italie, et le professeur Alberto Bianco, du CNRS (Centre national de la recherche scientifique), en France.

Mais que savons-nous aujourd'hui de l'éventuelle toxicité du graphène ? Une revue des preuves empiriques disponibles sur la toxicité du graphène a récemment été publiée. La figure ci-dessous montre un diagramme des mécanismes possibles de cytotoxicité. Les feuilles de graphène peuvent pénétrer dans les cellules par différentes voies. Une fois à l'intérieur, le graphène peut induire la génération de substances qui produisent un stress oxydatif, augmentent les niveaux de LDH et MDH ou modifient l'homéostasie du calcium. Ces altérations peuvent provoquer différents types de dommages, tels que la destruction physique de la cellule, des dommages à la membrane plasmique, une inflammation, une altération de l'ADN, des dommages aux mitochondries, l'apoptose ou la nécrose.

 

Malgré ces éléments, nous sommes encore loin de pouvoir formuler une déclaration générique sur la toxicité éventuelle de certains types de graphène. Encore moins pour le graphène en général. En attendant, l'application du principe de précaution nous permettra de garantir la santé et la sécurité au travail de toutes les personnes potentiellement exposées au graphène. Dans ces premières étapes du développement du graphène, le principal groupe de travailleurs est celui des laboratoires de recherche et des entreprises de production de graphène.

Nous devons également être attentifs aux résultats des recherches qui peuvent nous fournir des indices ou des informations sur la manière d'agir en tant que responsables de la santé et de la sécurité au travail des personnes potentiellement exposées aux nanomatériaux, comme celui-ci qui nous apprend que l'âge peut être un facteur de réponse différentielle à l'exposition aux nanomatériaux.

 

Je vous invite à explorer "The graphene house", le site de l'Université de Manchester consacré au graphène, l'un des sites les plus informatifs, ce qui n'est pas étonnant puisque c'est là que Geim et Novoselov ont découvert le graphène. Lire ici.

Pièce jointe

Le paysage mondial des brevets en 2013