Découvert dans une tache de crayon, le graphène pourrait-il être le nouveau super matériau qui transforme l'industrie du vélo ?
À première vue, le graphène est un matériau simple. Il s'agit d'une seule couche d'atomes de carbone de 0,3 nanomètre d'épaisseur - un million de fois plus mince que le papier de ce magazine. Pourtant, il est 150 fois plus résistant que l'acier et 20 % plus élastique. Il conduit mieux l'électricité que le cuivre ou l'or, à une vitesse d'un million de mètres par seconde. Il dégage rapidement de la chaleur. Il est transparent et totalement imperméable, et il devrait avoir le même impact au 21e siècle que la fibre de carbone au 20e et l'acier au 19e. Pas étonnant que les deux scientifiques des matériaux de l'Université de Manchester qui l'ont découvert en 2003, Andre Geim et Konstantin Novoselov, aient été accélérés vers un prix Nobel et des chevaliers. Mais qu'est-ce que cela a à voir avec les vélos ?
Les premiers utilisateurs du graphène
Les premiers produits cyclistes contenant du graphène commencent à arriver sur le marché. Vittoria utilise du graphène dans ses dernières jantes en carbone Qurano (voir p20) et Catlike l'utilise également dans son casque haut de gamme Mixino. Le constructeur de cadres en carbone personnalisé Richard Craddock de Craddock Cycles déclare: « Il y a beaucoup d'enthousiasme pour le graphène en ce moment, mais ce ne sont que les premières incursions. Comme tout nouveau matériau, son plein potentiel n'est pas encore connu, mais il est fort probable que l'avantage maximal ne soit pas en tant que substitut du carbone mais en tant qu'amélioration. Je l'utiliserais quand ce serait prouvé.'
Paul Wiper, associé de recherche au National Graphene Institute de l'Université de Manchester, déclare: « Le graphène peut améliorer les propriétés mécaniques d'un composite, car il peut partager la contrainte lorsqu'il est ajouté à la matrice de résine époxy et la rendre plus rigide. Vous devez cependant trouver le bon équilibre. Beaucoup de graphène, disons 10 ou 20% de la matrice, la rendrait vraiment rigide mais elle serait aussi cassante.'
Ses collègues perfectionnent actuellement l'utilisation du graphène dans les cadres composites pour l'aérospatiale, et le constructeur automobile espagnol Spania l'inclut déjà dans son châssis de supercar GTA. Alors, les cadres de vélo pourraient-ils être les prochains ? "Il n'y a aucune raison pour qu'il ne puisse pas être utilisé dans les cadres de vélo et je suis sûr que quelqu'un travaille déjà dessus", prédit Wiper. Vittoria a une telle foi dans le graphène qu'il met son argent là où se trouve sa bouche. "Il y a cinq ans, j'ai dîné avec le fondateur de Directa Plus, l'une des premières usines de graphène en Europe, et j'ai eu l'idée d'utiliser du graphène dans nos produits", déclare Rudie Campagne, président de Vittoria. ‘Puis nous avons décidé d’investir en eux, d’être à la pointe.’
Vittoria affirme qu'en utilisant du graphène dans les nouvelles roues en carbone Qurano, il a augmenté la résistance des trous de rayon et la rigidité latérale de la jante jusqu'à 30 %. Mais surtout, s'enthousiasme Campagne, « l'amélioration de la dissipation thermique du graphène réduit la température accumulée de la jante [au freinage], la maintenant bien en dessous du seuil où la fibre de carbone commencerait à se désintégrer.'
Ajouter du graphène au carbone n'est cependant pas aussi simple que d'ajouter du sucre à votre café. Directa Plus fournit du graphène à Vittoria sous forme de "nano-plaquettes", qui ne font que trois à sept atomes d'épaisseur. « Le grand défi consistait à obtenir une dispersion presque parfaite du graphène dans le mélange maître de résine époxy pour les feuilles de carbone préimprégnées », explique Campagne.
Tranche d'inspiration
«Les gens avaient spéculé pendant des décennies sur l'existence de graphène dans les allotropes de matériaux carbonés tels que le graphite, le charbon et le diamant, mais personne ne savait comment le transformer en une seule couche bidimensionnelle», explique Wiper. Dans un moment inspiré, Geim et Novoselov avaient commencé avec une tache de graphite cristallin - en fait une marque de crayon - qui est composée de plusieurs couches empilées de graphène, et à l'aide de ruban adhésif, ils ont enlevé une partie du graphite. Curieux, ils l'ont fait encore et encore, jusqu'à ce qu'ils isolent finalement une seule couche - du graphène pur. Puis ils l'ont testé.
« Habituellement, lorsque vous fabriquez des matériaux de plus en plus fins, leurs propriétés se détériorent », déclare Geim lui-même. "Mais avec le graphène, nous avons constaté que les choses ne faisaient que s'améliorer."
Des laboratoires du monde entier fabriquent désormais du graphène de différentes manières, avec différentes puretés, différentes tailles d'échantillons et quantités de lots. Par exemple, Catlike dit utiliser des nanofibres pour maintenir la résistance de ses casques Mixino, qui sont désormais 10 g plus légers que les modèles précédents. D'autres l'utilisent sous forme de nano-rubans, et Samsung et Sony affirment avoir inventé des moyens de fabriquer des feuilles continues. Ce qui est peut-être surprenant, cependant, c'est que ce n'est pas trop cher. Vous pouvez acheter un kilo de nano-plaquettes pour moins de 150 £. Au fur et à mesure que de nouvelles versions du matériel sont créées, il est certain que l'utilisation du mot «graphène» dans le matériel de marketing créera de la confusion pour les consommateurs. Il sera difficile de déterminer si un produit qui prétend être «amélioré en graphène» contient vraiment le matériau sous-microscopique, ou s'il fait du bien. C'est une échappatoire que les sans scrupules pourraient exploiter.
‘Un laboratoire pourrait tester le matériau pour voir s’il fonctionne comme prévu, mais vous devriez faire un test chimique pour vous assurer que le graphène est présent’, dit Wiper. Et comme le graphène existe dans la plupart des formes de carbone, même la poussière de charbon, cela pourrait être l'enfer de la Trades Description Act. Mais entre de bonnes mains, sa promesse pour l'industrie du cyclisme est vaste. Les utilisations potentielles du graphène incluent la prévention de la corrosion sur les pièces exposées telles que les jantes, les plateaux et les rayons, ou, si elles sont intégrées dans des composants en carbone, les nanofibres de graphène pourraient conduire l'électricité ou même transférer des données. Cela réduirait le câblage pour le changement de vitesse électronique et les ordinateurs de vélo. Alternativement, il pourrait former des jauges de contrainte dans les moyeux en carbone, les manivelles, les pédales, les plateaux ou les semelles de chaussures, où ses nanofibres réduiraient la complexité et pourraient réduire le prix des wattmètres.
Les nano-diamants ont déjà été recouverts de graphène pour créer des super-lubrifiants, ce qui pourrait éliminer presque tous les frottements des roulements, et des LED super brillantes et améliorées au graphène sont promises dès l'année prochaine. Un supercondensateur au graphène peut potentiellement stocker plus d'énergie que n'importe quelle batterie existante, de sorte que des composants de décalage électroniques sensiblement plus légers seraient également rendus possibles. De plus, des essais d'intégration d'électrodes de graphène dans des fibres de polypropylène sont également en cours, il existe donc même un potentiel d'inclusion future dans les vêtements. C'est hypothétique à ce stade, mais il pourrait arriver un moment où votre maillot et votre short deviennent intelligents, détectant votre fréquence cardiaque, votre tension artérielle, votre température, votre taux de transpiration et même l'activité de muscles individuels. Il semble vraiment que ses utilisations et ses avantages aient peu de limites.
‘Le graphène est évidemment si nouveau que ses applications commencent tout juste à être étudiées’, déclare Campagne. «Il faudra de nombreuses années d'études fondamentales et appliquées pour proposer de nouvelles améliorations de produits existants ou de nouvelles applications et améliorations. Le voyage ne fait que commencer.’
