Graphène

Par l'équipe Avicenn - Dernier ajout décembre 2021

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Synthétisé à partir de graphite et révélé au public en 2004 par André Geim et Konstantin Novoselov à l’université de Manchester (Angleterre) à qui il a valu le prix Nobel en 2010, le graphène est un nanomatériau souvent présenté comme "révolutionnaire".
Le graphène est constitué de feuillet(s) plat(s) formé(s) d’une seule épaisseur d’atomes de carbone.
Il est réputé très léger, imperméable, considéré comme inerte chimiquement, transparent, flexible mais extrêmement résistant (100 à 300 fois plus résistant que l'acier) et excellent conducteur de chaleur et d’électricité (il est plus conducteur que le cuivre) ; ses propriétés modulables sont donc vantées comme offrant de multiples possibilités dans quasiment tous les secteurs industriels.

Néanmoins, comme pour les autres nanomatériaux, il ne faut pas négliger le décalage qui peut exister entre les "promesses" du graphène et leur réalisation¹, d'autant que le coût de fabrication de ce matériau reste extrêmement élevé².

Au niveau international, le "Graphene Council" réunit d'importants fabricants de graphène et le portail "Grahene-info.com" publie des informations sur les dernières recherches et applications dans ce domaine.
Parmi les acteurs français figurent :

• la société iséroise Graphène Production, créé en 2015, dit produire 90 tonnes par an de graphène, pour tous les secteurs de l’industrie.
• la start-up "Carbon Waters", créée en décembre 2017 et issue d’un laboratoire CNRS, a développé et breveté un process de production de couche simple de graphène dans l’eau. Elle bénéficie du soutien de la Région Nouvelle Aquitaine, la BPI, de l’incubateur TechnoWest et d’un fonds d’investissement régional³.

En 2020 a été lancé un projet européen ISO-G-Scope pour développer des méthodes harmonisées de mesure et caractérisation du graphène.

Risques associés au graphène

En 2013, une équipe britannique de chercheurs préconisait une grande prudence dans l'utilisation du graphène⁴, afin de tirer les leçons des connaissances développées sur les risques associés aux nanotubes de carbone dont il se rapproche en partie.
En 2014, le SCENIHR alertait la Commission en ces termes : "Reviews⁵ suggest that graphene nanomaterials could exert a considerable toxicity and that considerable emission of graphene from electronic devices and composites are possible in the future. It is also suggested that graphene is both persistent and hydrophobic. Although these results indicate that graphene may cause adverse environmental and health effects, the results foremost show that there are many riskrelated knowledge gaps to be filled"⁶.

En 2015, des chercheurs français et européens se voulaient plus rassurants⁷ même si les études de toxicité n'en étaient encore qu'à leurs débuts.
Des articles publiés plus récemment sont venus nuancer le tableau en pointant des risques non négligeables, tout particulièrement en ce qui concerne l'oxyde de graphène⁸.

En mars 2018, Andrew Maynard a alerté sur les promesses hâtives de certains scientifiques de Northwestern University qui promeuvent l'utilisation de graphène dans les teintures pour cheveux⁹.

Fin 2018, un « Validation Service » du programme européen Flagship Graphene a été mis en place : le LNE, le ⁸ et l’Instituto de Nanociencia de Aragón - Universidad de Zaragoza, des laboratoires nationaux de métrologie et infrastructures indépendants mettent à la disposition des acteurs académiques et industriels du domaine leur expertise de la mesure, dans le but d’augmenter la qualité et la confiance dans les matériaux à base de graphène et apparentés (performances et maîtrise des risques, tout au long des chaînes de valeur jusqu’aux produits finis).

Entre mars et mai 2021, les autorités canadiennes, espagnoles et françaises ont annoncé, par précaution, le retrait des masques contenant du graphène en raison du potentiel de toxicité pulmonaire liée à l'inhalation de ce graphène.
En avril, plusieurs fabricants et leurs représentants ont insisté sur le fait qu'il existe de nombreux types de graphènes et de procédés pour les intégrer dans les masques ; tous les masques de graphène ne sont pas identiques, il ne faut donc pas céder à la "panique", mais accorder une attention particulière aux préoccupations sanitaires¹¹. En l'occurrence, pour savoir quels types précis de graphène ont été intégrés aux masques sur le marché, l'information des fabricants est essentielle ; à défaut des tests sont nécessaires afin de mener à bien une évaluation du risque (quel relargage ? quelle toxicité ? ...).
Ce manque de données toxicologiques sur le graphène a également été souligné par l'ANSES dans un rapport publié en décembre 2021, qui conclut que "des masques sans graphène respectant les normes et ayant démontré leur efficacité de filtration particulaire étant également disponibles sur le marché, (...) il n’est pas pertinent que soient mis sur le marché des masques contenant du graphène, aussi bien pour le grand public que pour les professionnels" ¹².

En mai 2021 est également parue une étude alertant sur le développement d'applications de produits oculaires à base de graphène, dans la mesure où les risques sont encore très insuffisamment étudiés¹³.

Le 16 juillet 2021, l'agence européenne des produits chimiques (ECHA) a lancé un appel d'offres pour réaliser une étude "Évaluation de l'impact sanitaire et environnemental du graphène, de l'oxyde de graphène et d'autres matériaux 2D sur la santé et l'environnement", réalisée dans le cadre de l'Observatoire européen des nanomatériaux (EUON). L'étude vise à réaliser une revue de la littérature sur le sujet en se basant sur les informations publiques existantes.

En savoir plus

Ailleurs sur le web (ou en librairie) :

• Les masques jetables gris contenant des nanoparticules de graphène sont-ils dangereux pour la santé?, IRRST, 26 mai 2021
• Manufacturers have been using nanotechnology-derived graphene in face masks — now there are safety concerns, Andrew Maynard, Edge of innovation, 28 mars 2021
• The importance of international standards for the graphene community, Clifford CA et al., Nature Reviews Physics, mars 2021
• Graphène - Familles, propriétés, applications et modes de production, Alban Chesneau, Techniques de l'ingénieur, 10 octobre 2020
• ISO-G-Scope : Harmoniser la caractérisation des propriétés du graphène, LNE, 3 septembre 2020
• Graphene-Enabled Adaptive Infrared Textiles, M. Said Ergoktas et al., Nano Letters, 18 juin 2020
• Les super pouvoirs des nano-matériaux, Transition et Energies, 28 janvier 2020
• ACD Innovation: L’eau de Graphène – atouts et applications, wébinaire, 20 mai 2019
• Carbone - Ses vies, ses oeuvres, Bernadette Bensaude-Vincent et Sacha Loeve, Seuil, octobre 2018
• World's first graphene sports shoes unveiled, Nano Magazine, juin 2018
• Le graphène ouvre des nano-fenêtres pour séparer l’oxygène de l’air, Institut de recherche de chimie Paris, 9 mai 2018
• "Graphène : comment exploiter ce matériau exceptionnel dans l’industrie ?" et "Le graphène peut-il rendre des matériaux polymères intelligents ?", conférences du M2i, 30-31 mai 2018
• Le graphène, nanomatériau du futur ?, NanoResp, 7 février 2018
• programme européen Flaghsip Graphene (voir aussi en français : La Commission européenne sélectionne le projet phare de recherche Graphène, communiqué du CNRS, 28 janvier 2013).

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Notes et références :

1 - Voir par exemple :

• En français :
  • Le graphène, ce matériau miracle qui pourrait changer la face du monde, Les éclaireurs, Canal plus, 25 janvier 2021
  • Le graphène et les matériaux en 2D détromperont-ils la loi de Moore ? Guillaume Fourcadier, Clubic, 7 juin 2020
  • Le graphène, à un cheveu du miracle ?, L'Express, 5 novembre 2018
• En anglais :
  • Graphene and 2D materials could move electronics beyond 'Moore's Law', University of Manchester, 3 juin 2020

2 - Le coût est d'autant plus élevé que le nombre de feuillets d'atomes de carbone est réduit ; les graphènes mono- ou bi-feuillet sont très difficiles à synthétiser, à manipuler et à déposer sur des supports - et ça reste vrai pour les "Few Layer Graphene" (FLG) qui comportent moins d'une dizaine de feuillets.

3 - Cf. Interview de Alban Chesneau, Président de Carbon Waters, Techniques de l'ingénieur, 25 avril 2018

4 - Cf. Safety considerations for graphene: lessons learnt from carbon nanotubes. Accounts of Chemical Research, 46(3), 692–701, 2013 (voir le résumé ici).

5 - Voir par exemple :
- Bianco, A. Graphene: Safe or Toxic? The Two Faces of the Medal, Bianco, A. Angew. Chem. Int. Ed., 52, 4986-4997, 2013
- Review of Potential Environmental and Health Risks of the Nanomaterial Graphene, Arvidsson, R et al., Human and Ecological Risk Assessment, 19: 873-887, 2013.

6 - Position Statement on emerging and newly identified health risks to be drawn to the attention of the European Commission, Vermeire T, SCENIHR, 2014

7 - Cf. Le graphène est-il toxique?, CNRS, Le Journal, mars 2015

8 - Voir notamment :

• Like a Trojan horse, graphene oxide can act as a carrier of organic pollutants to fish, Campusa (University of the Basque country), mai 2021 et Uptake and effects of graphene oxide nanomaterials alone and in combination with polycyclic aromatic hydrocarbons in zebrafish, Martinez-Alvarez I et al., Science of The Total Environment, 775, juin 2021
• Ex vivo exposure to different types of graphene-based nanomaterials consistently alters human blood secretome, Ballesteros S et al., Journal of Hazardous Materials, 414, juillet 2021
• Comparative cytotoxicity of kaolinite, halloysite, multiwalled carbon nanotubes and graphene oxide, Rozhina E et al., Applied Clay Science, 205, Mai 2021
• Graphene oxide induces dose‑dependent lung injury in rats by regulating autophagy, Zhang L et al., Experimental and Therapeutic Medicine, 21(5), mai 2021
• Is Graphene in Face Masks Safe? Professor Andrew Maynard Explains, Maynard A, Risk Bites, 4 avril 2021
• Graphene-Based Nanomaterials Modulate Internal Biofilm Interactions and Microbial Diversity, Evariste L et al., Frontiers in Microbiology, 12, mars 2021
• Similar toxicity mechanisms between graphene oxide and oxidized multi-walled carbon nanotubes in Microcystis aeruginosa, Crucesa E et al., Chemosphere, 265, février 2021
• A transcriptomic overview of lung and liver changes one day after pulmonary exposure to graphene and graphene oxide, Poulsen SS et al., Toxicology and Applied Pharmacology, 410, janvier 2021
• Altered gut microbiome accompanying with placenta barrier dysfunction programs pregnant complications in mice caused by graphene oxide, Liu X et al., Ecotoxicology and Environmental Safety, 207, janvier 2021
• Beyond graphene oxide acidity: Novel insights into graphene related materials effects on the sexual reproduction of seed plants, Carniel FC et al., Journal of Hazardous Materials, 393, 2020
• Assessment of graphene oxide ecotoxicity at several trophic levels using aquatic microcosms, Evariste L et al., Carbon, 156 : 261-271, 2020
• Graphene-Based Nanomaterials in Soil: Ecotoxicity Assessment Using Enchytraeus crypticus Reduced Full Life Cycle, Mendonça MCP et al., Nanomaterials, 9(6), 858, 2019
• Safety Assessment of Graphene-Based Materials: Focus on Human Health and the Environment, Fadeel B et al., ACS Nano, 12, 11, 10582-10620, 2018
• Safety Assessment of Graphene-Based Materials: A Graphene Flagship Perspective, Bengt Fadeel, HSPH-NIEHS Nanolecture series, 18 octobre 2018
• An overview of graphene materials: Properties, applications and toxicity on aquatic environments, De Marchi L et al., Science of the total environment, 631–632 : 1440-1456, août 2018
• Graphene oxide impairs the pollen performance of Nicotiana tabacum and Corylus avellana suggesting potential negative effects on the sexual reproduction of seed plants, Carniel FC et al., Environmental science‎ Nano, 2018
• Ecotoxicology of manufactured graphene oxide nanomaterials and derivation of preliminary guideline values for freshwater environments, Markovic M et al., Environmental Toxicology, 37(5) : 1340-1348, mai 2018
• A Review on Graphene-Based Nanomaterials in Biomedical Applications and Risks in Environment and Health, Thabitha P. Dasari Shareena, Nano-Micro Letters, 2018
• Molecular Mechanisms of Developmental Toxicity Induced by Graphene Oxide at Predicted Environmental Concentrations, Zhang X et al., Environ Sci Technol., 18;51(14):7861-7871, 2017
• A review of toxicity studies on graphene-based nanomaterials in laboratory animals, Ema M et al., Regul Toxicol Pharmacol., 85:7-24, 2017
• Toxicity of graphene-family nanoparticles: a general review of the origins and mechanisms, Ou L et al., Particle and Fibre Toxicology, 13:57, 2016
• Applications and toxicity of graphene family nanomaterials and their composites, Singh Z, Nanotechnol Sci Appl., 9: 15–28, 2016
• Evaluation of toxicity of nanoclays and graphene oxide in vivo: a Paramecium caudatum study, Marina Kryuchkova et al., Environmental Science: Nano, 2016
• Potential Toxicity of Graphene to Cell Functions via Disrupting Protein–Protein Interactions, Binquan Luan et al., ACS Nano, 2015
• Biological Interactions of Graphene-Family Nanomaterials: An Interdisciplinary Review, Sanchez VC et al., Chem. Res. Toxicol., 25, 1, 15-34, 2012

(Liste non exhaustive)

9 - Cf. Eager to dye your hair with ‘nontoxic’ graphene nanoparticles? Not so fast !, Andrew Maynard, The Conversation, 20 mars 2018

10 - Voir http://veillenanos.fr/wakka.php?wiki=NanoCovid19#MasquesCanada

11 - Cf. Companies respond to graphene masks "health hazard" scare, Graphene Info, 6 avril 2021 et Statement from the Graphene Council on face masks with graphene, 9 avril 2021

12 - Cf. Avis relatif à l’évaluation des risques sanitaires liés à l’usage de masques contenant du graphène, Agence nationale de sécurité sanitaire de l’alimentation, de l’environnement et du travail (ANSES), octobre 2021 (publié en décembre 2021)

13 - Cf. Graphene Family Nanomaterials in Ocular Applications: Physicochemical Properties and Toxicity, Borandeh S et al., Chem. Res. Toxicol., 34, 6, 1386–1402, mai 2021

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Fiche initialement créée en janvier 2018