Le graphène est véritablement un prodige de la science des matériaux. Dans cette forme de carbone, les atomes s'organisent en couches bidimensionnelles. Cela confère au graphène des propriétés avantageuses: il est électriquement conducteur, presque transparent et possède une grande résistance à la traction. Depuis sa première synthèse en 2004, ce matériau est intensivement étudié, y compris à l'Empa. Ses impacts sur l'homme et l'environnement ont été minutieusement examinés dans un projet européen «Graphene Flagship» avec la participation de l'Empa.
Aujourd'hui, les chercheurs de l'Empa vont plus loin en appliquant le principe «Sûr et Durable dès la Conception» (SSbD) à ce matériau innovant. «Le graphène est un bon exemple, car il existe déjà de nombreuses études et données à son sujet», explique Peter Wick, qui dirige le laboratoire Empa «Nanomatériaux en Santé». «Nous avons également travaillé pendant dix ans sur ce matériau dans le cadre du ‹Graphene Flagship›.»
Les idées fondamentales derrière le concept SSbD ne sont pas nouvelles, ajoute le chercheur: la sécurité et la durabilité du graphène étaient déjà un thème central dans le projet Flagship. Ce qui est nouveau, c'est la combinaison de ces thèmes dans le «cadre SSbD», qui doit permettre à l'industrie des innovations durables et sûres.
Ainsi, les chercheurs de l'Empa ne voulaient pas seulement découvrir si le graphène est en soi sûr et durable. «Nous voulions utiliser les bonnes données disponibles pour tester l'application du cadre SSbD et déterminer où et comment il pourrait être encore développé et simplifié», explique la chercheuse Empa Fiorella Pitaro du département «Technologie et Société».
Un nom, de nombreux matériaux
La tâche est complexe: au cours des deux dernières décennies de recherche et de développement intensifs, une gamme entière de produits apparentés a été ajoutée au graphène pur, les matériaux dits similaires au graphène. Il y a le graphène pur, mais aussi l'oxyde de graphène, l'oxyde de graphène réduit, le «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 constitue un défi, mais aussi un avantage pour l'application du SSbD. «Nous pouvons comparer les données pour chacune de ces sous-classes de matériaux et faire des déclarations sur la manière dont le potentiel de dommage d'une variante particulière est lié à sa structure», explique Wick. «Étant donné qu'elles ont souvent des fonctionnalités similaires, il est alors idéalement possible d'utiliser la forme la plus sûre de graphène pour chaque application.»
De même, la manière dont le matériau pénètre dans le corps humain est essentielle pour évaluer sa sécurité: est-il inhalé ou injecté directement dans la circulation sanguine en tant que partie d'un médicament? Pénètre-t-il notre tractus digestif via la chaîne alimentaire, ou est-il appliqué sur la peau? «Pour pouvoir évaluer correctement le risque pour l'homme, nous devons connaître l'utilisation du matériau», dit Wick. Parce que l'utilisation détermine si, comment et dans quelles quantités 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. Là où, avec les produits chimiques, c'est principalement la structure moléculaire qui détermine les propriétés, un grand nombre de facteurs entrent en jeu avec les matériaux: la texture de surface, la forme et la taille des particules, le type de traitement et bien plus encore. Un autre objectif des chercheurs de l'Empa est donc de développer les outils SSbD existants 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, et en particulier les PME, puissent l'appliquer, le cadre doit devenir encore plus accessible et plus simple», selon Peter Wick. Les déclarations qu'il fait sur la sécurité et la durabilité des matériaux et produits chimiques étudiés doivent néanmoins être aussi fiables que possible. Pour concilier ces exigences contradictoires, des recherches supplémentaires sont nécessaires - quelque chose que les équipes de l'Empa promeuvent dans différents 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. Cependant, cela ne signifie pas qu'il faut le libérer sans restriction dans l'environnement, avertissent-ils. «Nous ne savons pas encore tout», confie le chercheur de l'Empa Wick.