Les recherches de l'Université Rice et de l'Université de Californie à Berkeley pourraient donner à la science et à l'industrie une nouvelle façon de manipuler le graphène, le matériau miracle censé jouer un rôle dans l'électronique de pointe, applications mécaniques et thermiques.

Lorsque le graphène - une feuille de carbone d'une épaisseur d'un atome - se déchire sous le stress, il le fait d'une manière unique qui a intrigué les scientifiques qui ont d'abord observé le phénomène. Au lieu de déchirer au hasard comme le ferait un morceau de papier, il recherche le chemin de moindre résistance et crée de nouvelles arêtes qui confèrent au matériau les qualités souhaitables.

Parce que les bords du graphène déterminent ses propriétés électriques, trouver un moyen de les contrôler sera important, dit Boris Yakobson, Karl F. Hasselmann de Rice, professeur de génie mécanique et de science des matériaux et professeur de chimie.

Il est rare que le travail de Yakobson en tant que physicien théoricien apparaisse dans le même article avec des preuves expérimentales, mais la récente soumission en Lettres nano intitulé "Ripping Graphene:Preferred Directions" est une exception notable, il a dit.

Yakobson et Vasilii Artyukhov, chercheur postdoctoral à Rice, recréé dans des simulations informatiques le genre de déchirure observée au microscope électronique par des chercheurs de Berkeley.

L'équipe californienne a remarqué que des fissures dans les flocons de graphène suivaient des configurations en fauteuil ou en zigzag, termes qui font référence à la forme des arêtes créées. Il semblait que les forces moléculaires dictaient la façon dont le graphène gère le stress.

Ces forces sont robustes. Les liaisons carbone-carbone sont les plus fortes connues de l'homme. Mais l'importance de cette recherche, Yakobson a dit, réside dans la nature du bord qui résulte de la déchirure. Le bord d'une feuille de graphène lui confère des qualités particulières, surtout dans la façon dont il gère le courant électrique. Le graphène est si conducteur que le courant le traverse sans entrave, jusqu'à ce qu'il atteigne le bord. Ce que le courant y trouve fait une grande différence, il a dit, s'il s'arrête dans son élan ou s'écoule vers une électrode ou une autre feuille de graphène.

« Edge energy » dans le graphène et les nanotubes de carbone intéresse depuis longtemps Yakobson, qui a publié un article l'année dernière avec une formule pour définir l'énergie d'un morceau de graphène coupé à n'importe quel angle. Dans le carbone moléculaire, Les bords en fauteuil et en zigzag sont les plus souhaitables car les atomes le long du bord sont espacés à intervalles réguliers et leurs propriétés électriques sont bien connues :le graphène en zigzag est métallique, et le graphène de fauteuil est semi-conducteur. Comprendre comment extraire le graphène pour des nanorubans avec des bords d'un type ou d'un autre serait une percée pour les fabricants.

Yakobson et son équipe ont déterminé que le graphène cherchait le chemin le plus économe en énergie. L'équipe de Berkeley a remarqué que plusieurs fissures dans un flocon de graphène coulaient strictement le long de lignes distantes (ou à des multiples de) de 30 degrés les unes des autres.

"Le graphène préfère déchirer en dépensant le moins d'énergie, " a déclaré Yakobson. Il a noté la séparation de 30 degrés entre les angles qui différencient le zigzag et le fauteuil dans un réseau de graphène hexagonal.

Pour le prouver, Artyukhov a passé deux mois à créer des simulations moléculaires qui ont séparé des fragments virtuels de graphène de diverses manières. Selon la force appliquée, un flocon se déchirerait le long d'une ligne droite ou bifurquerait dans deux directions. Mais les bords produits seraient toujours le long de lignes à 30 degrés et seraient soit en zigzag, soit en fauteuil.

"Essentiellement, la direction de la fissure dans la théorie classique de la rupture est déterminée par le chemin qu'elle pourrait prendre avec un coût énergétique minimal, " a déclaré Artyukhov. " Mes simulations ont montré que dans certaines conditions, cela pourrait être le cas avec le graphène. Cela a fourni une explication assez raisonnable, claire et solide pour cette chose expérimentale inhabituelle. »

Artyukhov a découvert que tirer trop fort sur le graphène virtuel le briserait. "Notre principal effort a été de tirer dessus assez délicatement pour qu'il ait le temps de choisir la direction qu'il préfère, plutôt que d'avoir un échec complet. » Il a noté que les simulations étaient beaucoup plus rapides que les déchirures qui se produiraient dans des circonstances réelles.

Aussi surprenante a été la découverte que les déchirures du graphène à travers les joints de grains suivent les mêmes règles. Les larmes ne suivent pas la frontière, ce qui créerait des bords énergétiquement défavorables, mais passez à travers et passez dans la direction la plus favorable dans le nouveau grain.

"Les gens de Berkeley n'ont pas fait de larmes contrôlables, mais leur travail ouvre des possibilités technologiques pour l'avenir, " Yakobson a dit. " Pour l'électronique, vous voulez des rubans qui vont dans une direction particulière, et cette recherche suggère que cela est possible. Ce serait un gros problème.

« Pensez au graphène comme à une feuille de timbres-poste :vous appliquez une charge, et vous pouvez déchirer la feuille dans une direction bien définie. C'est essentiellement ce que cette expérience révèle pour le graphène, " dit-il. " Il y a des directions invisibles préparées pour vous. "