Maquette d'une boîte en carton de graphène. Crédit :Pekka Koskinen
(Phys.org) —Les nanomatériaux de carbone se présentent sous de nombreuses formes différentes, comme le diamant, aérogels, graphène, et de la suie. Parfois, les nanomatériaux de carbone sont même utilisés comme éléments constitutifs pour fabriquer des nanomatériaux plus complexes. Un exemple récent de cela est les forêts de nanotubes qui sont cultivées pour fournir la matière première pour fabriquer des fils de nanotubes qui sont tissés dans des muscles artificiels sur mesure. En bref, les nanomatériaux de carbone sont un groupe polyvalent qui semble offrir des possibilités infinies d'innovation.
Dans un nouveau journal, le physicien Pekka Koskinen de l'Université de Jyväskylä en Finlande a proposé et modélisé une nouvelle nanostructure composite de carbone qui consiste en une feuille de graphène ondulée prise en sandwich entre deux feuilles de graphène plates, résultant en "carton de graphène." L'ouvrage est publié dans un numéro récent de Lettres de physique appliquée .
"Si réalisé expérimentalement, la structure pourrait être utilisée comme plate-forme polyvalente à l'échelle nanométrique, imiter l'utilisation de carton normal à macro-échelle, " a dit Koskinen Phys.org . "Le carton pourrait également être utilisé dans les mêmes applications que d'autres matériaux carbonés poreux, comme dans les batteries ou dans le filtrage. Cependant, les applications qui utilisent les propriétés mécaniques ajustables seraient plus appropriées. Avec des techniques de fabrication évolutives, l'accordabilité pourrait peut-être même être transférée à des objets à grande échelle en carton de graphène."
L'idée du carton de graphène s'appuie sur des expériences récentes qui ont démontré des ondulations périodiques dans le graphène, semblable à l'ondulation des draps de satin. Cependant, réaliser expérimentalement du carton de graphène sera probablement plus difficile car la feuille ondulée doit être prise en sandwich par des feuilles extérieures. Le carton serait maintenu ensemble par des liaisons covalentes, qui pourraient être introduits soit par irradiation électronique, soit par fonctionnalisation chimique.
Bien que la fabrication de carton de graphène puisse être extrêmement difficile, dans le présent article, la modélisation par Koskinen du matériau nanocomposite donne un aperçu de ses caractéristiques structurelles et mécaniques. Il a constaté que l'augmentation de la contrainte de cisaillement sur le matériau en carton révèle quatre phases, en commençant par le plat, aux ondulations de type sinus, aux ondulations de type champignon, aux ondulations effondrées.
Diagramme de phase en carton graphène. Semblable aux ondulations à l'échelle macro, les ondulations du carton de graphène prennent différentes formes en réponse à une contrainte appliquée. Crédit :Pekka Koskinen, ©2014 AIP Publishing LLC
Peut-être plus intéressant à des fins pratiques, La modélisation de Koskinen révèle que les propriétés mécaniques du carton de graphène sont hautement ajustables en modifiant les déformations structurelles, comme la compression, tondre, et tensions. Par exemple, l'élasticité du matériau peut être ajustée par ordre de grandeur en contrôlant la déformation.
Pour un autre exemple, le contrôle de la déformation peut aussi théoriquement ajuster le coefficient de Poisson sur une très large plage (-0,5 à 10). Le coefficient de Poisson mesure à quel point un matériau comprimé se dilate perpendiculairement à la direction de compression, et est une mesure utile pour développer de nouveaux matériaux. La modélisation montre ici que le coefficient de Poisson du carton de graphène diminue à mesure que la déformation augmente.
"Pour moi, le résultat le plus fascinant était que même une structure aussi simple et naturelle pouvait éventuellement montrer des coefficients de Poisson négatifs, " a déclaré Koskinen.
Koskinen espère que ces prédictions serviront de motivation pour réaliser expérimentalement du carton de graphène. Parce que les résultats sont généraux, ils peuvent également servir de point de départ pour étudier d'autres matériaux stratifiés avec des structures ondulées en sandwich.
"Il existe de nombreux autres matériaux bidimensionnels atomiquement minces et fragiles, et donc beaucoup de place pour rechercher de nouveaux nanomatériaux aux propriétés personnalisables, " a déclaré Koskinen.
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