Graphite amorphe (jaune) obtenu après traitement thermique à haute température (3000K) à partir d'une configuration initiale aléatoire (gris). Crédit :Université de l'Ohio
Alors que l'appétit du monde pour les matériaux à base de carbone comme le graphite augmente, des chercheurs de l'Université de l'Ohio ont présenté cette semaine des preuves d'un nouveau solide de carbone qu'ils ont nommé "graphite amorphe".
Le physicien David Drabold et l'ingénieur Jason Trembly ont commencé par la question :"Pouvons-nous fabriquer du graphite à partir du charbon ?"
"Le graphite est un matériau de carbone important avec de nombreuses utilisations. Une application en plein essor du graphite concerne les anodes de batterie dans les batteries lithium-ion, et il est crucial pour l'industrie des véhicules électriques - une Tesla Model S a besoin en moyenne de 54 kg de graphite. De telles électrodes sont meilleurs s'ils sont fabriqués avec des matériaux en carbone pur, qui deviennent de plus en plus difficiles à obtenir en raison de la demande technologique croissante », écrivent-ils dans leur article,« Ab initio simulation of amorphous graphite », publié aujourd'hui dans Physical Review Letters .
« Ab initio » signifie « depuis le début », et leur travail explore de nouvelles voies vers des formes synthétiques de graphite à partir de matériaux carbonés naturels. Ce qu'ils ont trouvé, avec plusieurs calculs différents, était un matériau en couches qui se forme à des températures très élevées (environ 3000 degrés Kelvin). Ses couches restent ensemble en raison de la formation d'un gaz d'électrons entre les couches, mais ce ne sont pas les couches parfaites d'hexagones qui constituent le graphène idéal. Ce nouveau matériau a beaucoup d'hexagones, mais aussi des pentagones et des heptagones. Ce désordre annulaire réduit la conductivité électrique du nouveau matériau par rapport au graphène, mais la conductivité reste élevée dans les régions largement dominées par les hexagones.
Pas tous les hexagones
"En chimie, le processus de conversion de matériaux carbonés en une structure graphitique en couches par traitement thermique à haute température est appelé graphitisation. Dans cette lettre, nous montrons à partir de simulations de dynamique moléculaire ab initio et d'apprentissage automatique que les réseaux de carbone pur ont une propension écrasante à convertir à une structure en couches dans une fenêtre de densité et de température significative, la stratification se produisant même pour des configurations de départ aléatoires. Les couches plates sont du graphène amorphe :des atomes de carbone à trois coordonnées topologiquement désordonnés disposés dans des plans avec des pentagones, des hexagones et des heptagones de carbone », a déclaré Drabold , professeur émérite de physique et d'astronomie à la faculté des arts et des sciences de l'université de l'Ohio.
"Étant donné que cette phase est topologiquement désordonnée, le" registre d'empilement "habituel du graphite n'est respecté que statistiquement", a déclaré Drabold. "La stratification est observée sans corrections de Van der Waals aux forces fonctionnelles de densité (LDA et PBE), et nous discutons de la formation d'un gaz d'électrons délocalisé dans les galeries (vides entre les plans) et montrons que la cohésion interplan est en partie due à cette faible- gaz d'électrons de densité. La conductivité électronique dans le plan est considérablement réduite par rapport au graphène."
Les chercheurs s'attendent à ce que leur annonce stimule l'expérimentation et les études portant sur l'existence de graphite amorphe, qui peut être testé à partir d'exfoliation et/ou de sondes structurelles de surface expérimentales.
Trembly, professeur Russ de génie mécanique et directeur de l'Institut pour l'énergie durable et l'environnement du Russ College of Engineering and Technology de l'Université de l'Ohio, a travaillé en partie sur les utilisations vertes du charbon. Lui et Drabold, ainsi que les doctorants en physique Rajendra Thapa, Chinonso Ugwumadu et Kishor Nepal, ont collaboré à la recherche. Drabold fait également partie du Nanoscale &Quantum Phenomena Institute de l'OHIO, et il a publié une série d'articles sur la théorie du carbone amorphe et du graphène amorphe. Drabold a également souligné l'excellent travail de ses étudiants diplômés dans la réalisation de cette recherche.
Cohésion interplan surprenante
"La question qui nous a amenés à cela est de savoir si nous pouvions fabriquer du graphite à partir de charbon", a déclaré Drabold. "Cet article ne répond pas entièrement à cette question, mais il montre que le carbone a une tendance écrasante à se superposer - comme le graphite, mais avec de nombreux "défauts" tels que les pentagones et les heptagones (anneaux d'atomes de carbone à cinq et sept membres), qui s'intègrent tout à fait naturellement dans le réseau. Nous présentons des preuves de l'existence de graphite amorphe et nous décrivons son processus de formation. Des expériences ont suspecté que la graphitisation se produise vers 3 000 K, mais les détails du processus de formation et la nature du désordre dans les plans était inconnue", a-t-il ajouté.
Le travail des chercheurs de l'Université de l'Ohio est également une prédiction d'une nouvelle phase du carbone.
« Jusqu'à ce que nous fassions cela, il n'était pas du tout évident que les couches de graphène amorphe (les plans comprenant les pentagones et les heptagones) se colleraient ensemble dans une structure en couches. Je trouve cela assez surprenant, et il est probable que les expérimentateurs iront à la recherche de cela. maintenant que son existence est prédite », a déclaré Drabold. "Le carbone est l'élément miracle - vous pouvez créer de la vie, du diamant, du graphite, des Bucky Balls, des nanotubes, du graphène, et maintenant ça. Il y a aussi beaucoup de physique de base intéressante là-dedans - par exemple comment et pourquoi les avions se lient, ce en soi est assez surprenant pour des raisons techniques." Le graphène est 3-D ainsi que 2-D
