Un groupe de scientifiques de l'Université d'Osaka, en collaboration avec Kaneka Corporation, évalué la force de liaison interplanaire du graphène en mesurant la constante élastique du graphite, démontrant que la constante élastique du graphite monocristallin (Figure 1, top) était au-dessus de 45 gigapascal (GPa), ce qui était plus élevé qu'on ne le croyait conventionnellement. Les résultats de leurs recherches ont été publiés dans Physical Review Materials.

Le graphite est constitué de couches de graphène et les couches sont liées par de faibles forces de van der Waals (vdW), une attraction omniprésente entre toutes les molécules. On croyait que la constante élastique du cristal de graphite ne dépassait pas 40 GPa.

En effet, les constantes élastiques obtenues à partir d'expériences utilisant du graphite pyrolytique artificiel hautement orienté (HOPG) étaient faibles en raison de défauts structurels du graphite (comme illustré à la figure 1, bas) et des calculs théoriques ont également démontré que la constante élastique du graphite était inférieure à 39 GPa.

Puisqu'une caractéristique directe d'une interaction interplanaire est la constante élastique le long de l'axe c du graphite, qui reflète la force de liaison intercalaire, la constante élastique du graphite a été utilisée pour valider les approches théoriques proposées, et sa mesure précise est essentielle pour bien comprendre les interactions vdW.

Dans cette étude, Kaneka Corporation a créé un graphite monocristallin sans défaut de haute qualité en chauffant des films minces de polyimide à haute orientation à haute température; cependant, il était très difficile de mesurer la constante élastique de ce cristal (10 µm de diamètre, 1 µm d'épaisseur) dans le sens de l'épaisseur.

Ainsi, afin d'obtenir expérimentalement la constante élastique du graphite, utilisant la spectroscopie ultrasonore laser picoseconde, ce groupe a appliqué un laser de 1 µm de diamètre à la surface d'un graphène multicouche pendant un 10 billionième de seconde pour générer des ultrasons à ultra-haute fréquence. En mesurant avec précision la vitesse du son de l'onde longitudinale le long de la direction de l'épaisseur, ils ont obtenu la constante élastique.

Bien qu'on ait pensé que la force de liaison interplanaire du graphite était très faible, les résultats de cette étude ont montré qu'il avait une forte force de liaison :la constante élastique était de près de 50 GPa, ce qui ne peut être expliqué par les théories conventionnelles.

Dans cette étude, l'effet de corrélation à courte portée a renforcé sélectivement la surface d'énergie potentielle (PES). Ce PES anharmonique a amélioré la constante élastique du graphite. En utilisant la méthode ACFDT-RPA+U, ils ont démontré que la constante élastique atteignait 50 GPa en raison de l'effet de corrélation à courte portée.

L'auteur principal KUSAKABE Koichi dit :"Notre groupe de recherche montre que le graphite présente sa supériorité dans un état hautement cristallin. Nous avons créé de haute qualité, graphite à haute cristallinité, qui a une force de liaison interplanaire plus forte qu'on ne le croyait auparavant. L'application de techniques de mesure par ultrasons à ce film mince de graphite monocristallin sans défaut conduira à la production de capteurs très sensibles pour identifier des matières biologiques telles que des protéines dans des tests non destructifs. »