Ils sont la pierre angulaire du graphite - des feuilles de carbone ultra-minces, juste un atome d'épaisseur, dont la découverte a été saluée en 2010 par un prix Nobel de physique.

Le matériau apparemment simple est le graphène, et de nombreux chercheurs pensent qu'il a un grand potentiel pour de nombreuses applications, des appareils électroniques aux matériaux composites hautes performances.

Le graphène est extrêmement fort, un excellent chef d'orchestre, et sans aucune structure interne, il offre une abondance de surface – un peu comme une feuille de papier.

Lorsqu'il s'agit de produire et d'utiliser du graphène à grande échelle, cependant, les chercheurs ont découvert un problème majeur :la tendance du matériau à s'agréger. Comme du papier, Les feuilles de graphène s'empilent facilement en piles, réduisant ainsi considérablement leur surface et les rendant inutilisables.

Des chercheurs de la Northwestern University ont maintenant développé une nouvelle forme de graphène qui ne s'empile pas. Le nouveau matériau - inspiré d'une poubelle pleine de papiers froissés - est fabriqué en froissant les feuilles de graphène en boules.

Un article décrivant les résultats, "Particules résistantes à la compression et à l'agrégation de feuilles molles froissées, " a été publié le 13 octobre dans la revue ACS Nano .

Les matériaux à base de graphène sont très facilement agrégés en raison de la forte interaction entre les feuilles, appelé « attraction Van der Waals ». Par conséquent, étapes communes dans le traitement des matériaux, comme le chauffage, lavage au solvant, compression, et le mélange avec d'autres matériaux, peut grandement affecter la façon dont les feuilles sont empilées. Lorsque les feuilles ressemblant à du papier se réunissent - imaginez un jeu de cartes - leur surface est perdue; avec seulement une fraction de sa surface d'origine disponible, le matériau devient moins efficace. Les feuilles de graphène empilées deviennent également rigides et perdent leur aptitude au traitement.

Certains scientifiques ont essayé de séparer physiquement les feuilles en insérant des "espaceurs" sans carbone entre elles, mais cela change la composition chimique du matériau. Quand le graphène est froissé en boules, cependant, sa surface reste disponible et le matériau reste pur.

"Si vous imaginez une poubelle remplie de papier froissé, vous avez vraiment l'idée, " dit Jiaxing Huang, Morris E. Fine Professeur junior en matériaux et fabrication, le chercheur principal de l'étude. "Les balles peuvent s'empiler en une structure serrée. Vous pouvez les froisser aussi fort que vous le souhaitez, mais leur surface ne sera pas éliminée, contrairement à l'empilement face à face."

"Les boules de papier froissé expriment généralement une émotion de frustration, une expérience assez commune dans la recherche, " Huang dit, "Toutefois, ici, la « frustration » décrit de manière tout à fait appropriée pourquoi ces particules sont résistantes à l'agrégation - parce que leur surface inégale frustre ou empêche l'emballage serré face à face, quelle que soit la façon dont vous les traitez. »

Pour faire des boules de graphène froissées, Huang et son équipe ont créé des gouttelettes d'eau en suspension libre contenant des feuilles à base de graphène, puis utilisé un gaz porteur pour souffler les gouttelettes d'aérosol à travers un four. Comme l'eau s'évapore rapidement, les feuilles minces ont été comprimées par la force capillaire en particules presque sphériques.

Les particules de graphène froissées qui en résultent ont les mêmes propriétés électriques que les feuilles plates, mais sont plus utiles pour les applications qui nécessitent de grandes quantités de matériau. Les arêtes formées lors du processus de froissement confèrent aux particules une propriété d'écrouissage; plus vous les comprimez fort, plus ils deviennent forts. Par conséquent, les billes de graphène froissées sont remarquablement stables à la déformation mécanique, dit Huang.

"Nous nous attendons à ce que cela serve de nouvelle plate-forme de graphène pour étudier des applications dans le stockage et la conversion d'énergie, " dit Huang.