Dirigé par le Dr Elton Santos de l'École de mathématiques et de physique de l'Université, une équipe internationale de chercheurs a découvert une superlubrification dans quelques couches de graphène - un concept où la friction disparaît ou presque disparaît. Les experts ont également constaté que quelques couches de nitrure de bore hexagonal (h-BN) sont aussi solides que le diamant mais sont plus flexibles, moins cher et plus léger.

Les résultats, qui ont été signalés dans Communication Nature , révèlent que les couches h-BN forment l'isolant mince le plus résistant disponible dans le monde et que les qualités uniques du matériau pourraient être utilisées pour créer des appareils intelligents flexibles et presque incassables, ainsi que de la peinture anti-rayures pour voitures.

Le Dr Santos explique :« Nous avons tous, à un moment donné de la vie, marché sur une surface glissante où nous devons stabiliser notre équilibre afin de ne pas tomber. Dans la plupart des cas, un liquide tel que l'eau ou l'huile en est la cause et cet état glissant est ce que nous décrivons comme une superlubrification - il n'y a fondamentalement pas de frottement sur une surface.

« Dans le graphène, cet état de superlubrification provient des orbitales atomiques qui composent les atomes de carbone. Normalement, pour générer de la friction, certaines orbitales doivent se chevaucher et chauffer, ou de l'énergie, doit être libéré. Étonnamment, nos recherches montrent que le graphène ne nécessite pas ce processus, il glisse juste spontanément sur d'autres couches mais ne libère pas de chaleur. Cela signifie que le graphène, qui est 300 fois plus résistant que l'acier, devient mécaniquement plus faible et peut facilement se casser."

Les résultats de la recherche autour des couches de h-BN montrent que ses propriétés mécaniques sont similaires à celles du diamant mais sont beaucoup moins chères, plus souple et plus léger. Il peut facilement être intégré dans de minuscules circuits électroniques ou pour renforcer des structures car il est plus robuste contre les chocs ou les contraintes mécaniques.

Le Dr Santos a commenté :« Ce fut un privilège de travailler avec des chercheurs du monde entier pour prédire et mesurer le graphène multicouche et le h-BN d'une manière sans précédent. Il est presque impossible à l'heure actuelle de faire des percées scientifiques majeures sans travailler en collaboration. À l'Université Queen's nous avons avancé nos connaissances sur ces matériaux stratifiés et avons fait des découvertes majeures, qui pourrait aider à relever de nombreux défis mondiaux au sein de notre société.

"Notre principale conclusion est que le graphène bicouche développe un état de super-lubrification où aucun chauffage n'est généré lorsque les couches glissent les unes sur les autres. Seuls quelques matériaux ont ces caractéristiques et il semble que le graphène ait rejoint ce club exclusif. Au cours de ce processus , nous avons également découvert que h-BN, un lubrifiant commun utilisé dans plusieurs applications automobiles et industrielles, développé une résistance mécanique en quelques couches. Ils sont aussi forts que le diamant, mesuré en termes d'une quantité appelée module d'Young. Il s'agit d'une découverte vraiment révolutionnaire car même un isolant à couches minces ne pourrait pas maintenir son module d'Young à des amplitudes aussi élevées.

« Il existe plusieurs possibilités d'application de nos découvertes qui pourraient avoir un impact positif dans le monde réel. Nous envisageons un délai d'environ cinq à dix ans pour transformer les découvertes en produits réels, mais nous pourrions voir des avantages tels que le renforcement matériel pour mélange dans des solutions telles que l'encre pour la peinture, ce qui renforcerait la résistance à la corrosion et pourrait potentiellement signifier des voitures résistantes aux rayures à l'avenir.

"Ce matériau extensible pourrait également être utilisé dans les appareils électroniques et les moteurs pour réduire la friction, car aucune chaleur n'est dégagée."

Le Dr Santos a ajouté :« En électronique, plusieurs entreprises intègrent actuellement h-BN dans des prototypes avec du graphène pour la création d'appareils intelligents tels que les iPad et les androïdes dotés de fonctionnalités uniques. Ces sociétés incorporent également du h-BN avec des polymères pour donner une résistance supplémentaire à de nouvelles applications mécaniques telles que l'aérospatiale, sport et génie civil.

"Nous recherchons actuellement d'autres combinaisons de cristaux 2D qui pourraient être utilisées pour des applications similaires. Jusqu'à présent, le graphène semble le meilleur candidat, mais il reste encore beaucoup à explorer dans la bibliothèque de matériaux en couches. L'avenir est prometteur pour les matériaux 2D en raison du développement, les progrès et les recherches actuellement en cours dans le monde."