Production de graphène en Pologne

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Pologne | Science de la matière : matériaux, physique, chimie, optique | Horizon 2020 : innovations et progrès techniques
4 août 2015

La Pologne est en passe de parvenir à produire du graphène de qualité industrielle à grande échelle d’ici à la fin de l’année 2015, concurrençant de cette façon les leaders actuels du domaine que sont la Corée du Sud et les Etats-Unis. Deux méthodes différentes, mises au point respectivement par l’Institut des matériaux et technologies pour l’électronique (ITME) de Varsovie et l’Université Polytechnique de Lodz ont su bénéficier des moyens exceptionnels investis par la Pologne pour mettre en place des moyens de production et des produits à base de graphène à l’échelle industrielle.

Le parcours du professeur Włodzimierz Strupiński de l’ITME, récemment interrogé par le magazine Academia (édité par l’Académie des sciences polonaise), est représentatif de l’engagement de la Pologne sur ce thème. En tant que témoin et artisan du développement de la production de graphène en Pologne, il a commencé à travailler sur cette thématique en 2006, soit 2 ans après que le matériau ait été isolé pour la première fois. Dès 2007, il collabore avec le Pr. Geim, l’un des prix Nobel de physique 2010, récompensé pour ses recherche sur le graphène [1]. Sa collaboration a alors contribué à mobiliser l’engagement de la voïvodie de Mazovie (région de Varsovie) et de l’agence de développement industrielle polonaise (ARP) pour développer des applications industrielles issues des recherches sur le graphène menée à l’ITME.

Le potentiel polonais s’affirme par la suite et la Pologne participe à 2 des 7 projets de recherche collaborative EuroGRAPHENE financés entre 2010 et 2013 par la fondation européenne pour la Science dans le cadre du schéma EUROCORES [2]. L’Institut des technologies électronique de Varsovie (ITE), l’ITME et l’Université de Varsovie (UW) participaient ainsi aux projets EPIGRAT et ELOGRAPH visent à la modification des propriétés du graphène, à l’étude de ses propriétés mécaniques, électromécaniques et optoélectroniques. D’autre part, l’Institut de physique-chimie de l’Académie polonaise des sciences (IChF PAN) s’était illustré en mettant au point avec l’Institut de recherche interdisciplinaire de Lille une technique de synthèse de feuillets de graphène d’une remarquable simplicité [référence IChF PAN-Lille].
La mise en place du projet Graf-Tech en 2012 par l’Agence de financement de la recherche et du développement (NCBR) a soutenu l’implication d’industriels comme SECO/Warmick sur la thématique du graphène. Par la suite, plusieurs de ces institutions ont spectaculairement progressé dans leurs recherches et les leaders actuels du domaine sont les laboratoires de nanostructure de l’Université de Varsovie, l’ITME et l’école polytechnique de Lodz. Si les recherches du premier se concentrent sur l’utilisation du graphène, notamment pour des applications de défense [référence], les deux derniers se sont donnés comme objectif d’atteindre une production industrielle de graphène à grande échelle. Un pari qu’ils sont sur le point de relever.

ITME

Les scientifiques de l’ITME ont mis au point une méthode de production de graphène par croissance épitaxiale obtenue dans un réacteur de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) de la société SECO/WARWICK qui a cofinancé le projet. Ce réacteur permet d’obtenir un vide poussé à haute température dans un environnement métallique pour obtenir des feuillets de graphène dont la surface peut atteindre 500x500 mm. Cette méthode a récemment été brevetée aux Etats-Unis [3]. Des demandes similaires ont été réalisées en Europe, en Corée du Sud et au Japon. D’autre part, l’équipement a été optimisé pour atteindre les hautes températures nécessaires à l’obtention de graphène épixatié à la surface de wafer en carbure de silicium, tout en garantissant un flux de production élevé et un haut niveau de qualité. Il s’agit du premier réacteur de ce type produit en Pologne [4].

Les réalisations de l’ITME ont su convaincre les représentants de la Voïvodie de Mazurie et le 31 mars 2015 un accord a été signé pour le financement d’un centre dédié au graphène et aux nanotechnologies innovantes. Dans le cadre de cet accord, l’ITME percevra 10,5 M€ dont 9 M€ provenant de fonds européens issus du programme opérationnel régional de la province de Mazurie pour l’achat et la modernisation d’équipements et la construction de nouvelles infrastructures.
En matière de savoir-faire industriel, l’ITME s’était illustré dans la mise en place de la société innovante Nano Carbon Sp. z o.o. [5], lancée en décembre 2013 et financée par un prêt de la banque nationale polonaise (BGK) octroyé à l’ARP (agence pour le développement industriel) et à KGHM III FIZAN un fond d’investissement de la compagnie minière polonaise de production du cuivre et de l’argent dans le cadre du programme « Inwestycje Polskie » (Investissements polonais). Les parts de l’ARP (51%) ont par la suite été cédées au groupe d’armement polonais (PGZ). La société Nano Carbon dispose d’ores et déjà d’une boutique en ligne proposant un large éventail de produits et services basés sur le graphène. Elle propose la réalisation de graphène épitaxial sur différents supports : carbure de silicium (SiC), métal, oxyde de silicium (SiO2), plastiques ou encore verre. La société vise à atteindre un stade de production industrielle à grande échelle et à enrichir son portfolio en termes produits finaux, licences et produits intermédiaires. Ceux-ci trouveront des applications dans les microprocesseurs, l’industrie automobile, les matériaux composites, les batteries, les piles à combustibles, les LEDS, les cellules solaires, les écrans tactiles et divers équipements médicaux.

Atteindre l’échelle industrielle est déterminant pour nombre de projets internationaux. L’un des projets les plus emblématiques en la matière est mené par les chercheurs de l’Université des sciences et techniques (AGH) de Cracovie [6]. Il vise à développer un nouveau matériau en utilisant du graphène pour limiter les phénomènes d’échauffement dans les lignes à haute tension, source d’importantes pertes électriques et de pollution atmosphérique. De nouveaux matériaux à base de graphène ont été développés en combinant du graphène avec du cuivre et de l’aluminium pour former des complexes dont les propriétés inédites sont actuellement à l’étude. Le projet est le fruit d‘un consortium comprenant AGH, l’ITME, TELE-FONIKA Cables SA dont la tâche consistera à mettre les matériaux en forme pour obtenir des câbles et lignes électriques et la Polish Power Grid (PSE) SA. Notons qu’AGH poursuit des objectifs similaires dans le cadre du projet européen ULTRAWIRE coordonné par l’Université de Cambridge et impliquant des partenaires français comme Peugeot Citroën et Nexans.

Université polytechnique de Lodz

Les chercheurs de l’université de Lodz ont mis au point une nouvelle technologie de production d’un graphène « métallurgique » à très haute résistance mécanique. Ce graphène, dit HSMG (High Strength Metallurgical Graphene) est le résultat d’une méthode brevetée consistant à introduire un mélange gazeux dans une matrice métallique liquide afin de produire la carburation de cette phase. Cette méthode est actuellement protégée par deux brevets [7].

Cette méthode a été valorisée du point de vue industriel par la création de la société AGP en 2012 [8]. Cet spin-off de l’institut de Science et d’ingénierie des matériaux de l’université technique de Lodz rassemble au sein d’une société unique production et développement de produits à base de graphène. Pour l’heure, les premiers échantillons obtenus présentent des dimensions jusqu’à 200x90 mm pour un coût de production qui reste relativement élevé (100 €/cm²). Les produits obtenus sont actuellement testés dans plusieurs laboratoires en Pologne et à l’étranger. Le four permettant la production de ce graphène a été mis au point avec l’industriel SECO/Warmick.

En raison de sa légèreté et de sa durabilité le HSGM présente des propriétés intéressantes pour le stockage de l’hydrogène. En effet, il peut adsorber ou désorber de l’hydrogène en fonction de la température : l’hydrogène est libéré sous forme moléculaire lorsque le matériau est réchauffé [9]. Le projet a été financé à hauteur de 1,5 M€ par le NCBR dans le cadre du projet Graf-Tech et par l’industriel SECO/Warmick. Le matériau proposé a déjà montré des propriétés supérieures aux matériaux concurrents en termes de durée de stockage et de poids spécifique et le projet s’est traduit par la création d’une start-up : AGT Sp. Z o o. La prochaine étape consistera à élaborer des réservoirs en vue de tests et d’une éventuelle commercialisation.

L’implication de l’industriel SECO/Warmick dans les projets de production industrielle de graphène a été reconnue et son directeur général, Paweł Wyrzykowski, a été désigné comme l’un des leaders d’Europe centrale et orientale du New Europe 100 Challengers. Cette liste mise en place, entre autre par Google et le fonds du Visegrad, a été établie en coopération avec le Financial Times et d’autres organisations régionales (German Marshall Fund des Etats Unis, l’Institut Lech Wałęsa, le Global Lithuanian Leaders et la plateforme Sofia).

Autre signe de la forte implication polonaise dans cette thématique, le NCBR est partenaire du projet FLAG-ERA coordonné par l’ANR française qui rassemble des organisations de financement nationale et régionale dans le but de mettre en place des initiatives de soutien au développement de technologies de rupture : le « FET Flagship initiative » (Future Emerging Technologies). Le flag ERA est une plateforme de coordination de ressources de financement autour d’objectifs ambitieux et a pour l’instant contribué à la mise en place des deux initiatives annoncées par la commission européenne en janvier 2013 : l’une sur le graphène et l’autre visant à simuler le fonctionnement d’un cerveau humain. L’engagement polonais dans la production de graphène lui permet de compter désormais deux instituts membres (l’ITME et l’Université de Varsovie) dans le « Graphene flagship ».

Rappelons que le professeur Strupinski, pionnier des recherche sur le graphène en Pologne, est membre du comité exécutif élargi du graphene flagship et que le projet comprend de nombreux partenaires français comme le CEA, le CNRS, Thalès et les universités de Montpellier 2, de Lille, de Strasbourg ou encore l’UPMC.

[1] Graphene : A Polish Success Story, Academia 2 (42) 2014, http://science-online.pl/we-recommend/item/375-graphene-a-polish-success-story

[2] Projets EUROGRAPHENE, European Science Foundation, http://www.esf.org/coordinating-research/eurocores/completed-programmes/eurographene/projects.html

[3] Polish method for producing graphene - with patent protection in the US, Nauka W Polsce, 27/05/2015, http://scienceinpoland.pap.pl/en/news/news,405173,polish-method-for-producing-graphene---with-patent-protection-in-the-us.html

[4] Applications des recherches sur le graphène menées par le laboratoire de nanostructure de l’Université de Varsovie, http://www.polska.pl/en/business-science/achievements-science/graphene-production-kicks-poland/

[5] Société Nano-carbon, http://www.nano-carbon.pl/

[6] Projet d’AGH pour matériaux destinés aux réseaux de distribution, http://cordis.europa.eu/project/rcn/108893_en.html

[7] Researchers at Lodz University of Technology are producing graphene with greater strength, Nauka w Polsce, 26/01/2015, http://scienceinpoland.pap.pl/en/news/news,403500,researchers-at-lodz-university-of-technology-are-producing-graphene-with-greater-strength.html

[8] Société AGP, http://advancedgrapheneproducts.com/webpage/about-company.html

[9] Hydrogen in a graphene tank, Nauka w Polsce, 05/05/2015 http://scienceinpoland.pap.pl/en/news/news,400220,hydrogen-in-a-graphene-tank.html