Dans une nouvelle étude, Publié dans Science 31 mai 2013, Les chercheurs de Columbia Engineering démontrent que le graphène, même s'ils sont cousus ensemble à partir de nombreux petits grains cristallins, est presque aussi fort que le graphène sous sa forme cristalline parfaite. Ce travail résout une contradiction entre les simulations théoriques, qui a prédit que les joints de grains peuvent être forts, et des expériences antérieures, ce qui indiquait qu'ils étaient beaucoup plus faibles que le réseau parfait.

Le graphène est constitué d'une seule couche atomique de carbone, disposés en treillis en nid d'abeille. "Notre premier Science papier, En 2008, a étudié la force que le graphène peut atteindre s'il ne présente aucun défaut - sa force intrinsèque, " dit James Hone, professeur de génie mécanique, qui a dirigé l'étude avec Jeffrey Kysar, professeur de génie mécanique. "Mais sans défaut, le graphène vierge n'existe que dans de très petites zones. Les feuilles de grande surface requises pour les applications doivent contenir de nombreux petits grains connectés aux joints de grains, et il n'était pas clair à quel point ces joints de grains étaient solides. Cette, notre deuxième Science papier, rend compte de la résistance des films de graphène à grande surface cultivés par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), et nous sommes ravis de dire que le graphène est de retour et plus fort que jamais."

L'étude vérifie que les méthodes couramment utilisées pour le post-traitement du graphène cultivé par CVD affaiblissent les joints de grains, résultant en la résistance extrêmement faible observée dans les études précédentes. L'équipe d'ingénierie de Columbia a développé un nouveau procédé qui empêche tout dommage du graphène pendant le transfert. "Nous avons remplacé un autre agent de gravure et avons pu créer des échantillons de test sans endommager le graphène, " note l'auteur principal de l'article, Gwan Hyoung Lee, un stagiaire postdoctoral au laboratoire Hone. "Nos résultats corrigent clairement le consensus erroné selon lequel les joints de grains du graphène sont faibles. C'est une excellente nouvelle car le graphène offre une telle pléthore d'opportunités à la fois pour la recherche scientifique fondamentale et les applications industrielles."

Sous sa forme cristalline parfaite, le graphène (une couche de carbone d'un atome d'épaisseur) est le matériau le plus résistant jamais mesuré, comme l'équipe d'ingénierie de Columbia l'a signalé dans Science en 2008, si fort que, comme Hone l'a observé, "il faudrait un éléphant, en équilibre sur un crayon, percer une feuille de graphène de l'épaisseur de Saran Wrap." Pour la première étude, l'équipe a obtenu petit, des flocons de graphène structurellement parfaits par exfoliation mécanique, ou peeling mécanique, à partir d'un cristal de graphite. Mais l'exfoliation est un processus fastidieux qui ne sera jamais pratique pour aucune des nombreuses applications potentielles du graphène qui nécessitent une production industrielle de masse.

Actuellement, les scientifiques peuvent faire pousser des feuilles de graphène aussi grandes qu'un écran de télévision en utilisant le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), dans lequel des couches simples de graphène sont cultivées sur des substrats de cuivre dans un four à haute température. L'une des premières applications du graphène pourrait être en tant que couche conductrice dans les écrans flexibles.

"Mais le graphène CVD est" cousu "à partir de nombreux petits grains cristallins - comme une courtepointe - aux limites des grains qui contiennent des défauts dans la structure atomique, " explique Kysar. " Ces joints de grains peuvent fortement limiter la résistance du graphène à grande surface s'ils se cassent beaucoup plus facilement que le réseau cristallin parfait, et il y a donc eu un intérêt intense pour comprendre à quel point ils peuvent être forts. »

L'équipe d'ingénierie de Columbia voulait découvrir ce qui rendait le graphène CVD si faible. En étudiant les techniques de traitement utilisées pour créer leurs échantillons à tester, ils ont découvert que le produit chimique le plus couramment utilisé pour éliminer le substrat de cuivre endommage également le graphène, dégradant gravement sa résistance.

Leurs expériences ont démontré que le graphène CVD à gros grains est exactement aussi fort que le graphène exfolié, montrant que son réseau cristallin est tout aussi parfait. Et, plus surprenant, leurs expériences ont également montré que le graphène CVD avec de petits grains, même lorsqu'il est testé juste à un joint de grain, est environ 90% aussi fort que le cristal idéal.

"C'est un résultat passionnant pour l'avenir du graphène, parce qu'il fournit des preuves expérimentales que la force exceptionnelle qu'il possède à l'échelle atomique peut persister jusqu'à des échantillons de pouces ou plus, ", dit Hone. "Cette force sera inestimable alors que les scientifiques continuent de développer de nouveaux composants électroniques flexibles et des matériaux composites ultrarésistants."

Fort, le graphène à grande surface peut être utilisé pour une grande variété d'applications telles que l'électronique flexible et les composants de renforcement - potentiellement, un écran de télévision qui s'enroule comme une affiche ou des composites ultrarésistants qui pourraient remplacer la fibre de carbone. Ou, les chercheurs spéculent, une idée de science-fiction d'un ascenseur spatial qui pourrait relier un satellite en orbite à la Terre par un long cordon qui pourrait être constitué de feuilles de graphène CVD, puisque le graphène (et son cousin matériel, nanotubes de carbone) est le seul matériau présentant le rapport résistance/poids élevé requis pour ce type d'application hypothétique.

L'équipe est également enthousiaste à l'idée d'étudier des matériaux 2D comme le graphène. « On sait très peu de choses sur les effets des joints de grains dans les matériaux 2D, " ajoute Kysar. " Nos travaux montrent que les joints de grains dans les matériaux 2D peuvent être beaucoup plus sensibles au traitement que dans les matériaux 3D. Cela est dû au fait que tous les atomes du graphène sont des atomes de surface, Ainsi, les dommages de surface qui ne dégraderaient normalement pas la résistance des matériaux 3D peuvent complètement détruire la résistance des matériaux 2D. Cependant, avec un traitement approprié qui évite les dommages de surface, joints de grains dans les matériaux 2D, en particulier le graphène, peut être presque aussi fort que le parfait, structure sans défaut."