Le graphène est un véritable 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 conducteur d'électricité, presque transparent et possède une résistance à la traction élevée. Depuis sa première synthèse en 2004, ce matériau fait l'objet de recherches intensives, notamment à l'Empa. Ses effets sur l'homme et l'environnement ont été étudiés en détail dans le cadre d'un projet phare de l'UE sur le graphène, auquel l'Empa a participé.

Les chercheurs de l'Empa vont désormais plus loin et appliquent le principe « Safe and Sustainable by Design » (SSbD) à ce nouveau matériau. « 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 « Nanomaterials in Health » de l'Empa. « Nous aussi, nous avons travaillé sur ce matériau pendant dix ans dans le cadre du projet ‹ Graphene Flagship › ».

Les idées fondamentales du concept SSbD ne sont pas nouvelles, poursuit le chercheur : la sécurité et la durabilité du graphène étaient déjà un thème central du projet Flagship. La nouveauté réside dans la fusion de ces thèmes dans le « SSbD framework », qui vise à permettre à l'industrie de réaliser des innovations durables et sûres.
En conséquence, les chercheurs de l'Empa ne cherchaient pas (uniquement) à déterminer si le graphène était sûr et durable en soi. « Nous voulions utiliser les données disponibles pour tester l'application du ‹ SSbD framework › et déterminer où et comment il pouvait être encore développé et simplifié », explique Fiorella Pitaro, chercheuse à l'Empa au sein du département « Technologie et société ».

Un nom, plusieurs matériaux
La tâche est complexe : grâce à la recherche et au développement intensifs des deux dernières décennies, toute une gamme de produits apparentés, appelés matériaux de type graphène, est venue s'ajouter au graphène pur. Il existe du graphène pur, mais aussi de l'oxyde de graphène, de l'oxyde de graphène réduit, du « few-layer graphene », qui se compose de quelques couches, et bien d'autres encore. Même ces termes ne sont pas toujours clairs et peuvent désigner plusieurs matériaux légèrement différents.

Cette diversité représente un défi, mais aussi un avantage pour l'utilisation des SSbD. « Nous pouvons comparer les données pour chacune de ces sous-classes de matériaux et déterminer dans quelle mesure le potentiel de dommages d'une variante donnée est lié à sa structure », explique Peter Wick. « Comme ils ont souvent des fonctionnalités similaires, il est alors possible, dans l'idéal, d'utiliser la forme de graphène la plus sûre pour chaque application. »

La manière dont le matériau pénètre dans le corps humain est également déterminante pour évaluer sa sécurité : est-il inhalé ou injecté directement dans la circulation sanguine dans le cadre d'un traitement médicamenteux ? Pénètre-t-il dans notre tube digestif via la chaîne alimentaire ou est-il appliqué sur la peau ? « Pour pouvoir évaluer de manière fiable le risque pour l'homme, nous devons connaître l'application du matériau », dit Peter Wick. En effet, c'est l'application qui détermine si, comment et dans quelles quantités une exposition a lieu.

Accessible et fiable
« Les outils et modèles pouvant être utilisés pour les évaluations dans le ‹ SSbD framework › ont été principalement développés pour les produits chimiques », explique Fiorella Pitaro. Alors que pour les produits chimiques, ce sont principalement les structures moléculaires qui déterminent les propriétés, pour les matériaux, de nombreux autres facteurs entrent en jeu : la texture de la surface, la forme et la taille des particules, le type de traitement, etc. Les chercheurs de l'Empa ont donc pour objectif supplémentaire de perfectionner les outils SSbD existants afin qu'ils puissent également être utilisés pour les matériaux.

L'objectif du SSbD est de promouvoir des innovations durables et sûres. « Pour que l'industrie, en particulier les PME, puisse l'utiliser, le cadre doit devenir encore plus accessible et plus simple », dit Peter Wick. Les déclarations qu'il fait sur la sécurité et la durabilité des matériaux et des produits chimiques étudiés doivent néanmoins être aussi fiables que possible. Pour concilier ces exigences contradictoires, des recherches supplémentaires sont nécessaires, ce que les équipes de l'Empa poursuivent dans le cadre de différents projets.

En ce qui concerne la sécurité et la durabilité du graphène, les experts sont prudemment optimistes. Dans de nombreux domaines et applications, ce matériau semble être plus sûr et plus durable que les alternatives à base de carbone utilisées aujourd'hui. Cependant, cela ne signifie pas pour autant qu'il puisse être rejeté sans restriction dans l'environnement, préviennent-ils. « Nous ne savons pas encore tout », explique Peter Wick, chercheur à l'Empa.