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12 September 2019 |
La Revue POLYTECHNIQUE
Le graphène est-il sûr ?
Le graphène est considéré comme l’un des matériaux les plus intéressants et les plus polyvalents de notre époque. Ses possibilités d’application inspirent la recherche et l’industrie. Toutefois, les produits à base de graphène sont-ils sans danger pour l’homme et l’environnement? Cette question a fait l’objet d’une étude approfondie dans le cadre du projet phare européen sur le graphène, avec la participation de chercheurs de l’Empa.
Comportant une seule couche d’atomes de carbone disposés de manière hexagonale, le graphène est considéré comme le matériau miracle de l’avenir. Flexible, transparent, extrêmement robuste, ses propriétés électriques, ainsi que sa conductivité thermique – la plus élevée de tous les matériaux connus – le rendent extrêmement intéressant pour d’innombrables applications. L’Europe l’a également reconnu: le vaste programme de recherche «Graphene Flagship» est, depuis cinq ans déjà, consacré à ce matériau. Il s’agit de l’une des plus grandes initiatives de recherche que l’Europe ait lancée à ce jour.
| Le programme phare sur le graphène lance de nouvelle recherches sur la sécurité du graphène et des matériaux connexes pour la santé humaine ainsi que sur l’impact environnemental. |
Ne pas répéter le drame de l’amiante
Mais malgré cette euphorie, comme pour toute nouvelle technologie, les inconvénients potentiels doivent être pris en compte très tôt. Dans le passé, ces enquêtes étaient souvent menées trop tardivement. L’amiante, par exemple, autrefois apprécié pour ses propriétés ignifuges, a été utilisé au début du XXe siècle pour fabriquer de nombreux produits, mais les risques pour la santé n’ont été découverts que progressivement. En 1970, les fibres d’amiante ont été officiellement classées cancérigènes.
Une partie importante du projet phare européen est donc consacrée à la question suivante: les matériaux à base de graphène sont-ils sans danger pour l’homme et l’environnement? À ce jour, de nombreuses études ont été réalisées. Des chercheurs du laboratoire d’interactions particules-biologie de l’Empa ont étudié comment l’oxyde de graphène affecte les poumons, le tractus gastro-intestinal ou la barrière placentaire.
Un article de synthèse
Un article de synthèse a été publié à mi-parcours du projet phare sur le graphène. Faisant la synthèse des données produites, ainsi que d’autres études publiées, il présente l’état actuel des connaissances en matière de sécurité des matériaux à base de graphène. Des partenaires de quinze universités et instituts de recherche européens, dont les chercheurs de l’Empa Peter Wick et Tina Bürki, ont participé à cette étude.
| Les effets biologiques du graphène sont passés au microscope. |
Les effets sur le corps humain et l’environnement
L’article donne un aperçu des circonstances dans lesquelles des matériaux à base de graphène peuvent être disséminés dans l’environnement ou pénétrer dans le corps humain pendant leur cycle de vie, c’est-à-dire lors de la production, de l’utilisation, du vieillissement, du recyclage et de l’élimination.
La majorité des études évaluées ont été consacrées à la question de l’interaction des matériaux à base de graphène avec le corps humain. Il s’agit notamment des différentes façons dont les substances peuvent pénétrer dans l’organisme, par inhalation, ingestion ou contact cutané, ainsi que de la distribution et de l’interaction avec des organes importants, tels que le système nerveux central, les poumons, la peau, le système immunitaire, le système cardiovasculaire, le tractus gastro-intestinal et les organes reproducteurs.
Les effets possibles du graphène sur d’autres organismes et sur l’environnement ne sont pas moins importants. Il s’agit notamment des bactéries, des algues, des plantes, des champignons, des invertébrés et des vertébrés de divers écosystèmes.
La structure détermine l’activité
Toutes les études n’aboutissent pas au même résultat. Mais cela n’est pas nécessairement dû au fait que certaines d’entre-elles soient médiocres. «Le défi est que tous les graphènes ne sont pas identiques», explique Peter Wick, responsable du laboratoire d’interactions particules-biologie de l’Empa. Les matériaux à base de graphène peuvent se composer d’une ou de plusieurs couches, la largeur et la longueur de chacune d’entre elles pouvant varier, tout comme le rapport entre les atomes de carbone et les atomes d’oxygène.
En fonction de la combinaison de ces trois paramètres, non seulement les propriétés des matériaux sont complètement différentes, mais les effets sur l’homme et l’environnement sont également très variables. «Notre objectif est donc de créer un modèle détaillé pour une relation entre la structure et certaines propriétés», déclare Peter Wick. Une caractérisation minutieuse des matériaux étudiés est donc primordiale. À l’avenir, des algorithmes d’auto-apprentissage pourraient aider à générer un modèle à partir des données, afin de prédire les effets biologiques d’une certaine structure de graphène.
Cependant, un modèle aussi complet reste un rêve d’avenir. «Nous nous considérons ici comme une sorte d’aide au lancement pour déterminer la sécurité des matériaux et des produits à base de graphène», explique Peter Wick. «Bien qu’il y ait de plus en plus d’études et donc d’indications sur la façon dont ceux-ci affectent les systèmes vivants, il y a encore des lacunes dans nos connaissances. Celles-ci doivent être comblées avant que nous puissions faire une prédiction claire sur la façon dont un matériau à base de graphène ayant certaines propriétés, affectera les systèmes biologiques», ajoute-t-il. L’objectif est de créer de nouvelles normes pour les autorités, la recherche et l’industrie, afin que le matériau miracle qu’est le graphène puisse également être utilisé en toute sécurité.
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Le programme phare sur le graphène
Le programme phare sur le graphène est l’une des plus grandes initiatives de recherche de l’Union européenne. Doté d’un budget d’un milliard d’euros, il a pour mission de faire passer, dans dix ans, le graphène du domaine des laboratoires universitaires à la société européenne, en générant de la croissance économique, de nouveaux emplois et de nouvelles opportunités pour les Européens en tant qu’investisseurs et employés. Avec ce programme, l’Europe a lancé une nouvelle forme d’initiative de recherche commune et coordonnée d’une ampleur sans précédent.
Le programme phare sur le graphène réunit un consortium académico-industriel visant une percée en matière d’innovation technologique. L’effort de recherche couvrira l’ensemble de la chaîne de valeur, de la production des matériaux à l’intégration des composants et des systèmes. Il visera un certain nombre d’objectifs spécifiques qui exploitent les propriétés uniques du graphène.
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Bibliographie
Safety Assessment of Graphene-Based Materials: Focus on Human Health and the Environment; ACS Nano (2018), 12, 10582−10620. DOI: 10.1021/acsnano.8b04758
Peter Wick
Particles-Biology Interactions Lab
Tél. 058 765 76 84
peter.wick@empa.ch
Tina Bürki
Particles-Biology Interactions Lab
Tél. 058 765 76 96
tina.buerki@empa.ch
