Une image montre un échantillon de graphène de barres d'armature après un test au microscope électronique par des scientifiques des matériaux de l'Université Rice. Il montre comment les fissures se propagent en zigzag, plutôt que droit, comme on le voit dans le graphène ordinaire. Le graphène d'armature est attaché par des forces moléculaires des deux côtés à une plate-forme qui sépare lentement le matériau. Crédit :Emily Hacopian/Groupe Lou
Des chercheurs de l'Université Rice ont découvert que le « graphène d'armature » résistant aux fractures est plus de deux fois plus résistant que le graphène vierge.
Le graphène est une feuille de carbone d'une épaisseur d'un atome. A l'échelle à deux dimensions, le matériau est plus résistant que l'acier, mais parce que le graphène est si fin, il est toujours sujet à la déchirure et à la déchirure.
Le graphène d'armature est l'analogue à l'échelle nanométrique des barres d'armature (barres d'armature) dans le béton, dans lequel des barres d'acier intégrées améliorent la résistance et la durabilité du matériau. Graphène d'armature, développé par le laboratoire Rice du chimiste James Tour en 2014, utilise des nanotubes de carbone pour le renforcement.
Dans une nouvelle étude de la revue American Chemical Society ACS Nano , Jun Lou, scientifique en matériaux de riz, étudiante diplômée et auteure principale Emily Hacopian et ses collaborateurs, y compris Tour, le graphène de barres d'armature a été soumis à des tests de contrainte et a découvert que les barres d'armature à nanotubes détournaient et comblaient les fissures qui se propageraient autrement dans le graphène non renforcé.
Les expériences ont montré que les nanotubes aident le graphène à rester extensible et réduisent également les effets des fissures. Cela pourrait être utile non seulement pour l'électronique flexible, mais aussi pour les appareils portables électriquement actifs ou d'autres appareils où la tolérance au stress, la flexibilité, la transparence et la stabilité mécanique sont souhaitées, dit Lou.
Les tests mécaniques du laboratoire et les simulations de dynamique moléculaire par des collaborateurs de l'Université Brown ont révélé la ténacité du matériau.
L'excellente conductivité du graphène en fait un candidat solide pour les appareils, mais sa nature fragile est un inconvénient, dit Lou. Son laboratoire a rapporté il y a deux ans que le graphène n'est aussi fort que son maillon le plus faible. Ces tests ont montré que la force du graphène vierge était « substantiellement inférieure » à sa force intrinsèque déclarée. Dans une étude ultérieure, le labo a trouvé du diséléniure de molybdène, un autre matériau bidimensionnel intéressant les chercheurs, est également cassant.
Tour a approché Lou et son groupe pour effectuer des tests similaires sur le graphène de barres d'armature, fabriqué en enrobant par centrifugation des nanotubes à paroi unique sur un substrat de cuivre et en faisant croître du graphène au-dessus d'eux par dépôt chimique en phase vapeur.
Pour tester sous contrainte le graphène de barres d'armature, Hacopien, Yang et ses collègues ont dû le mettre en pièces et mesurer la force appliquée. Par essais et erreurs, le laboratoire a mis au point un moyen de découper des morceaux microscopiques du matériau et de les monter sur un banc d'essai pour une utilisation avec des microscopes électroniques à balayage et à transmission.
"Nous ne pouvions pas utiliser de colle, nous avons donc dû comprendre les forces intermoléculaires entre le matériau et nos appareils de test, " dit Hacopian. " Avec des matériaux aussi fragiles, c'est vraiment difficile."
Emily Hacopian, étudiante diplômée de l'Université Rice, tient la plate-forme qu'elle a utilisée pour étudier la force du graphène des barres d'armature au microscope. Hacopian et ses collègues ont découvert que le renforcement du graphène avec des nanotubes de carbone rend le matériau deux fois plus résistant. Crédit :Jeff Fitlow
Les barres d'armature n'ont pas empêché le graphène d'un échec ultime, mais les nanotubes ont ralenti le processus en forçant les fissures à zigzaguer au fur et à mesure qu'elles se propageaient. Lorsque la force était trop faible pour briser complètement le graphène, les nanotubes ont efficacement ponté les fissures et, dans certains cas, préservé la conductivité du matériau.
Dans des tests antérieurs, Le laboratoire de Lou a montré que le graphène avait une ténacité native à la fracture de 4 mégapascals. En revanche, le graphène d'armature a une ténacité moyenne de 10,7 mégapascals, il a dit.
Les simulations réalisées par le co-auteur de l'étude Huajian Gao et son équipe de Brown ont confirmé les résultats des expériences physiques. L'équipe de Gao a trouvé les mêmes effets dans les simulations avec des rangées ordonnées de barres d'armature en graphène que ceux mesurés dans les échantillons physiques avec des barres d'armature pointant dans tous les sens.
"Les simulations sont importantes car elles nous permettent de voir le processus à une échelle de temps qui ne nous est pas disponible avec les techniques de microscopie, qui ne nous donnent que des instantanés, " a déclaré Lou. "L'équipe Brown nous a vraiment aidés à comprendre ce qui se passe derrière les chiffres."
Il a déclaré que les résultats du graphène des barres d'armature sont un premier pas vers la caractérisation de nombreux nouveaux matériaux. "Nous espérons que cela ouvre une voie que les gens peuvent suivre pour concevoir des caractéristiques matérielles 2D pour les applications, " dit Lou.
Hacopien, Yingchao Yang de l'Université du Maine et Bo Ni de l'Université Brown sont co-auteurs principaux de l'article. Les co-auteurs sont Yilun Li, Hua Guo de riz, Xing Li de Rice et de l'Université de Zhengzhou et Qing Chen de l'Université de Pékin. Lou est professeur de science des matériaux et de nano-ingénierie à Rice. La tournée est le T.T. et W.F. Chaire Chao en chimie et professeur d'informatique et de science des matériaux et nano-ingénierie Rice. Gao est professeur d'ingénierie Walter H. Annenberg à Brown.
