Les nanomatériaux de carbone devraient perturber l'industrie des semi-conducteurs, qui pèse plusieurs milliards de dollars.

Les nanomatériaux de carbone peuvent remplacer le silicium dans les puces informatiques et changer de nombreuses autres industries, mais pourquoi restent-ils à la limite de la commercialisation ?

Au cours des 20 dernières années, de grandes avancées ont été réalisées dans le domaine des matériaux nanocarbonés - composés de substances individuelles mesurant entre 1 et 100 nanomètres - ouvrant un large éventail de possibilités allant de la nanoinformatique aux implants médicaux intelligents.

En raison de leur résistance et de leur conductivité uniques, les nanomatériaux de carbone ont le potentiel de remplacer le silicium dans les puces informatiques.

Cependant, la commercialisation de nouveaux matériaux est très difficile. Transmettre les résultats de laboratoire à une production à grande échelle est un processus long et risqué, semblable à la mise sur le marché d'un nouveau médicament. Les obstacles techniques et le coût élevé du temps de laboratoire et de la production ont entraîné l'échec précoce de nombreux matériaux perturbateurs.

Pour les nanomatériaux de carbone, les problèmes de conductivité et les défis de production signifient que les puces informatiques basées sur des nanomatériaux de carbone pourraient être plus éloignées que prévu initialement.

Des startups, des départements de R&D et des laboratoires universitaires développent et lancent actuellement des matériaux nanocarbonés uniques.

Graphène et nanotubes de carbone

En raison de leur petite taille, les nanomatériaux ont des propriétés inégalées par les matériaux en vrac conventionnels, notamment un rapport résistance/poids élevé (c'est-à-dire une résistance élevée mais un poids léger) et une excellente connectivité électrique.

Les nanomatériaux à base de carbone, en particulier le graphène et les nanotubes de carbone, ont montré un grand potentiel en tant qu'alternatives à divers matériaux industriels.

Le graphène est une couche de carbone d’un seul atome d’épaisseur disposée dans une structure en nid d’abeille.

Les nanotubes de carbone (CNT) sont des feuilles de graphène disposées dans une structure tubulaire.

Les nanotubes de carbone ont été découverts pour la première fois au début des années 1990, mais le graphène n'a été isolé qu'en 2004 par des scientifiques de l'Université de Manchester.

Le graphène et les nanotubes de carbone ont connu des développements différents au fil des ans, malgré leurs propriétés et applications similaires.

Le graphène est le matériau le plus résistant jamais mesuré. Il présente un excellent rapport résistance/poids, conduit l'électricité proche de celui d'un supraconducteur et est presque transparent. Les industries de l'aérospatiale aux semi-conducteurs en passant par les équipements sportifs étudient comment le graphène peut être utilisé pour améliorer les performances.

Aérogel de graphène, l'un des matériaux les plus légers au monde

Poussée par l'industrie des semi-conducteurs, la recherche liée aux NTC est devenue plus concentrée. IBM a consacré des ressources importantes au développement de nanotubes de carbone destinés à être utilisés dans les puces informatiques.

Graphène VC « Réduction de la fièvre »

De 2007 à 2015, le financement des startups de graphène a augmenté régulièrement. Cependant, la baisse des transactions et des financements de 2016 ne s'est pas complètement rétablie.

Ce déclin reflète la perte d’attractivité typique du développement de matériaux avancés, où la technologie est alors prise entre la percée et la commercialisation.

Les startups de ce domaine travaillent au développement de produits à base de graphène spécifiques – tels que des batteries, des dispositifs médicaux et des appareils électroniques – ou trouvent des moyens de produire efficacement ce matériau pour un usage général.

Par exemple, Vorbeck Materials développe des encres et des revêtements à base de graphène pour le marché de l'électronique imprimée. Les produits en graphène de la société peuvent être utilisés dans l'électronique portable, la RFID (identification par radiofréquence), les capteurs et d'autres applications.

Du côté de la production, XG Sciences, qui a reçu un financement de Dow Ventures et Samsung Ventures, fabrique et vend des matériaux à base de graphène. Le processus exclusif de l'entreprise crée de petits empilements de feuilles de graphène appelées « nanofeuilles », qui sont utilisées comme additifs pour diverses applications.

Le financement lié au CNT est également en baisse

Des startups développent également la technologie des nanotubes de carbone, même si peu d’entreprises se sont lancées dans ce domaine.

Les startups axées sur les nanotubes de carbone ont également vu leur financement diminuer après 2015, peut-être pour les mêmes raisons que le financement du graphène. Après des années d'investissement en R&D, les nanotubes de carbone ont rencontré des obstacles techniques. 20 ans après leur percée initiale, ils ne sont toujours pas largement adoptés.

Nantero est l'une des startups CNT les mieux financées et les plus ambitieuses. La société a développé une NRAM (mémoire vive non volatile) à l'aide de CNT, qui, espère-t-elle, remplacera la DRAM (mémoire vive dynamique) et la mémoire flash comme principaux dispositifs de stockage à semi-conducteurs.

Nantero estime que la technologie CNT peut être utilisée pour fabriquer des puces avec des densités plus élevées que les matériaux semi-conducteurs conventionnels, augmentant ainsi considérablement la vitesse et la mémoire.

Nantero a concédé sa technologie sous licence à Fujitsu, franchissant ainsi une étape vers la commercialisation. Toutefois, des obstacles techniques et commerciaux doivent encore être surmontés avant que les nanotubes de carbone puissent être largement utilisés dans l'informatique haut de gamme.

Les entreprises préfèrent mener des activités de R&D en interne plutôt que de commencer à investir

Toutes les grandes sociétés de semi-conducteurs travaillent sur le graphène pour les puces et les batteries. Selon le moteur de recherche de brevets de CBinsights, Samsung est le plus grand fabricant de semi-conducteurs avec plus de 200 brevets liés au graphène. Fin 2017, la société a annoncé le développement de matériaux pour batteries au graphène capables de se charger cinq fois plus rapidement que les batteries conventionnelles.

Les nanotubes de carbone ont reçu d'importants investissements en R&D de la part de l'industrie des semi-conducteurs et des grandes entreprises technologiques. IBM détient plus de 200 brevets liés aux nanotubes de carbone et a investi massivement dans le développement de ce matériau.

Dans le domaine aérospatial, le graphène a montré d'excellentes propriétés en tant qu'additif aux matériaux composites tels que les fibres de carbone. Une étude de 2010 de l'Institut polytechnique Rensselaer a révélé que le graphène surpasse les nanotubes de carbone, rendant les composites plus solides, plus résistants et moins sujets aux défauts.

Airbus a également investi dans la recherche liée au graphène et possède 6 brevets liés au graphène.

Des barrières techniques freinent les candidatures

Le graphène et les nanotubes de carbone sont actuellement difficiles à transférer du laboratoire à la production à grande échelle et à exploiter leurs propriétés matérielles uniques.

Par exemple, le graphène conduit mieux l'électricité que le silicium ou le cuivre. Combinée à sa résistance, son poids et sa transparence, la conductivité électrique du graphène permet de remplacer les puces informatiques à base de silicium et d'améliorer l'électronique quotidienne.

Mais il y a un hic : le graphène est un semi-conducteur « sans interruption », ce qui signifie que le flux de courant à travers le matériau ne peut pas être arrêté. Les fabricants de puces informatiques ont dû introduire une « bande interdite » dans les puces de silicium, ce qui a permis aux utilisateurs d'arrêter l'appareil en arrêtant le flux d'électrons. La difficulté de ce processus est un obstacle majeur à la commercialisation.

Depuis un certain temps, les méthodes utilisées pour introduire des bandes interdites dans le graphène sont inefficaces ou ont modifié le matériau et les propriétés supérieures associées ont disparu.

En avril 2018, des scientifiques dirigés par l'Institut catalan de nanosciences et de nanotechnologie ont introduit une méthode de croissance de matériaux « graphène » avec des bandes interdites. Cette étape importante dans le développement de puces à base de graphène a duré près de 15 ans après la percée initiale du graphène en 2004, démontrant la difficulté et le temps requis pour développer de nouveaux matériaux.

Les nanotubes de carbone ont des bandes interdites qui les rendent faciles à intégrer dans les puces informatiques – mais la production de masse est un problème crucial.

La manipulation des milliards de structures minuscules dans les nanotubes de carbone est extrêmement difficile car l'orientation des nanotubes doit être contrôlée pour tirer parti de leurs propriétés uniques. Avant une adoption généralisée, des méthodes de production améliorées sont nécessaires pour fournir des nanotubes de carbone uniformes et sans défauts.

Barrières du marché : le silicium reste important dans l'informatique

Les obstacles commerciaux à l’adoption des nanomatériaux de carbone peuvent être plus difficiles que les défis techniques. Les nouveaux matériaux sont confrontés au scepticisme et à la stagnation alors qu’ils tentent de s’intégrer aux chaînes d’approvisionnement existantes.

Amanda Barnard, physicienne responsable de l'Organisation australienne de recherche scientifique et industrielle du Commonwealth, a déclaré dans une interview en 2014 : « Nous avons déjà reçu des milliards de dollars d'investissement provenant des puces de silicium mondiales, et nous ne quittons pas ce domaine lucratif. '

Usine de fabrication de semi-conducteurs Samsung d'une valeur de 3,5 milliards de dollars, Austin, Texas, États-Unis

Les acteurs existants amélioreront les produits existants ou ignoreront les nouveaux matériaux avant de renoncer à continuer à investir. Le remplacement complet des matériaux existants par le graphène prendra probablement beaucoup de temps pour parvenir à des applications synergiques avec des matériaux tels que le silicium.

Un autre obstacle est la normalisation. Un examen récent de 60 produits à base de graphène par le Graphene Council a révélé que plus de 75 % n'avaient aucune propriété matérielle unique. La normalisation doit être introduite si les fabricants souhaitent vendre le graphène de manière efficace.

De plus, si le matériau doit être amélioré en remplacement, le prix du graphène devra chuter. Le graphène est rare et cher aujourd’hui, mais il doit être transformé en un matériau semblable à un produit de base pour devenir une alternative viable aux semi-conducteurs à base de silicium.

Une fois que cela se produira, les startups axées sur le graphène pourraient ne plus être en mesure de rivaliser sur les prix. Les petites startups du graphène pourraient faire faillite ou faire face à des acquisitions par des fabricants de semi-conducteurs tels que des entreprises de matériaux comme Dow Chemical qui pourraient vouloir augmenter leur capacité de graphène.