Sûr et durable dès la conception : le graphène comme exemple pratique

Le graphène est un véritable prodige de la science des matériaux. Dans cette forme de carbone, les atomes se disposent en couches bidimensionnelles. Cela confère au graphène des propriétés avantageuses : il est électriquement conducteur, presque transparent et possède une haute résistance à la traction. Depuis sa première synthèse en 2004, ce matériau fait l'objet de nombreuses recherches, y compris à l'Empa. Ses impacts sur l'homme et l'environnement ont été étudiés en profondeur dans le cadre d'un projet européen « Graphene Flagship » avec la participation de l'Empa.

Les chercheurs de l'Empa font désormais un pas de plus en appliquant le principe « Safe and Sustainable by Design » (SSbD) au matériau innovant. « Le graphène est un bon exemple car il existe déjà de nombreuses études et données à ce sujet », explique Peter Wick, qui dirige le laboratoire « Nanomaterials in Health » à l'Empa. « Nous nous sommes également penchés sur ce matériau dans le cadre du projet ‹Graphene Flagship› pendant dix ans. »

Les idées fondamentales derrière le concept SSbD ne sont pas nouvelles, poursuit le chercheur : la sécurité et la durabilité du graphène étaient déjà un thème central dans le projet Flagship. La nouveauté réside dans la combinaison de ces thèmes au sein du « Framework SSbD », qui doit permettre à l'industrie de réaliser des innovations durables et sûres.

Ainsi, les chercheurs de l'Empa ne se sont pas seulement préoccupés de savoir si le graphène est sûr et durable en soi. « Nous voulions utiliser les bonnes données disponibles pour tester l'application du framework SSbD et déterminer où et comment il peut encore être développé et simplifié », explique la chercheuse de l'Empa Fiorella Pitaro de la division « Technologie et Société ».

Un nom, de nombreux matériaux

La tâche est complexe : en raison de la recherche et du développement intenses des deux dernières décennies, une large gamme de produits apparentés s'est ajoutée au graphène pur, appelés matériaux semblables au graphène. Il existe du graphène pur, mais aussi de l'oxyde de graphène, de l'oxyde de graphène réduit, du « Few-Layer-Graphene » qui se compose de plusieurs couches, et bien d'autres encore. Même ces termes ne sont pas toujours clairs et peuvent désigner à leur tour plusieurs matériaux légèrement différents.

Cette diversité est un défi, mais aussi un avantage pour l'application de SSbD. « Nous pouvons comparer les données pour chacune de ces sous-classes de matériaux et faire des déclarations sur la façon dont le potentiel de dommage d'une variante particulière est lié à sa structure », explique Wick. « Comme elles ont souvent des fonctionnalités similaires, la forme la plus sûre de graphène peut être utilisée pour chaque application dans le meilleur des cas. »

La manière dont le matériau pénètre dans le corps humain est également cruciale pour juger de sa sécurité : est-il inhalé ou injecté directement dans la circulation sanguine comme partie d'un médicament ? Est-il absorbé dans notre tractus digestif via la chaîne alimentaire, ou appliqué sur la peau ? « Pour évaluer le risque pour l'homme de manière fiable, nous devons connaître l'application du matériau », déclare Wick. Car l'application détermine si, comment et en quelle quantité une exposition a lieu.

Accessible et fiable

« Les outils et modèles utilisés pour les évaluations dans le cadre SSbD ont été principalement développés pour les produits chimiques », déclare Fiorella Pitaro. Alors que pour les produits chimiques, c'est surtout la structure moléculaire qui détermine les propriétés, de nombreux autres facteurs entrent en jeu avec les matériaux : la surface, la forme et la taille des particules, le type de traitement et bien d'autres éléments. Un autre objectif des chercheurs de l'Empa est donc de développer davantage les outils existants du SSbD pour qu'ils puissent également être appliqués aux matériaux.

L'objectif du SSbD est de promouvoir des innovations durables et sûres. « Pour que l'industrie, notamment les PME, puisse l'utiliser, le framework doit devenir encore plus accessible et plus simple », déclare Peter Wick. Les affirmations qu'il fait sur la sécurité et la durabilité des matériaux et des produits chimiques étudiés doivent toutefois rester aussi fiables que possible. Pour concilier ces exigences contradictoires, des recherches supplémentaires sont nécessaires – ce que les équipes de l'Empa continuent de développer dans divers projets.

En ce qui concerne la sécurité et la durabilité du graphène, les experts sont prudemment optimistes. Dans de nombreux domaines et applications, le matériau semble être plus sûr et plus durable que les alternatives à base de carbone utilisées aujourd'hui. Mais cela ne doit pas être un laissez-passer pour le libérer sans restriction dans l'environnement, mettent-ils en garde. « Nous ne savons pas encore tout », déclare Peter Wick, chercheur à l'Empa.

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