Comme la plupart des matériaux, une bande élastique s'amincit lorsqu'elle est étirée. Mais certains matériaux se comportent de manière opposée :ils deviennent plus épais lorsqu'ils sont étirés et plus minces lorsqu'ils sont comprimés. Ces substances contre-intuitives, appelés matériaux auxétiques, ont tendance à avoir une résistance élevée au cisaillement ou à la fracture et sont utilisés dans des applications telles que les implants médicaux et les capteurs. Mais typiquement, cet effet auxétique n'est visible que lorsque le matériau est déformé dans une direction particulière.

Maintenant, Minglei Sun et Udo Schwingenschlögl ont prédit qu'un groupe de matériaux à base de carbone, formé en feuilles atomiques minces, devrait montrer cet effet auxétique dans toutes les directions. Ce phénomène n'a jamais été observé auparavant dans aucun matériau anisotrope 2D, une famille croissante de matériaux plats qui comprennent plusieurs matériaux potentiellement auxétiques.

Les chercheurs du KAUST ont calculé plusieurs caractéristiques clés de trois matériaux 2D appelés sulfure de carbone, séléniure de carbone et tellurure de carbone, qui unissent le carbone avec des éléments collectivement appelés chalcogènes. Les calculs reposent sur la théorie de la fonctionnelle de la densité, une approche couramment utilisée basée sur la mécanique quantique, et ils décrivent les caractéristiques des matériaux telles que leur stabilité structurelle, comportement mécanique et propriétés électroniques.

Tous les matériaux auxétiques ont un coefficient de Poisson négatif, un nombre qui décrit comment un matériau se déforme lorsqu'il est étiré ou comprimé. Mais les chercheurs ont découvert que les trois matériaux sont uniquement auxétiques car ils ont un coefficient de Poisson négatif omnidirectionnel. "Nous avons été surpris de trouver une série de matériaux anisotropes 2D avec un coefficient de Poisson négatif dans toutes les directions, " dit Soleil.

Les calculs de Sun et Schwingenschlögl prédisent que les trois matériaux devraient être stables à température ambiante, suggérant qu'il peut être possible de les synthétiser et de les isoler. Ils expliquent également l'effet auxétique omnidirectionnel des matériaux en termes de structures cristallines et de liaison chimique. Le tellurure de carbone montre l'effet auxétique le plus fort, qui est plus grande dans toutes les directions que les valeurs les plus élevées observées dans la plupart des autres matériaux auxétiques 2D. Il présente également la déformation à la rupture la plus élevée des trois matériaux étudiés par les chercheurs de la KAUST.

Selon l'équipe, les matériaux doivent être des semi-conducteurs capables d'absorber la lumière proche infrarouge ou visible. Les trois chalcogénures de carbone "se révèlent être des semi-conducteurs à bande interdite directe ou quasi directe avec une absorption impressionnante du rayonnement solaire, " dit Sun. Cela implique que les matériaux pourraient être utiles dans les dispositifs photovoltaïques ou comme catalyseurs alimentés par la lumière. "Notre prochaine étape consiste à prédire davantage de matériaux auxétiques 2D avec un coefficient de Poisson négatif dans toutes les directions, " dit Schwingenschlögl.