Qu'est-ce qui relie les épées damascènes légendaires du passé à l'électronique flexible et au câblage électrique haute performance du futur ? Ils doivent tous leurs propriétés remarquables à différentes formes structurelles du carbone.

Les épées les plus meurtrières de l'histoire - les sabres « Damascène » forgés au Moyen-Orient du XIIIe au XVIIIe siècles - étaient si tranchantes qu'elles pouvaient trancher la soie tombante, donc la légende l'a. On pense que leurs qualités étonnantes proviennent d'une combinaison d'impuretés spécifiques dans le minerai de fer et de la température et de la durée de leur cuisson - un processus qui, selon certains scientifiques, pourrait avoir involontairement créé des nanotubes de carbone (CNT) en leur sein.

Ces minces, les tubes creux n'ont qu'un seul atome de carbone en épaisseur. Comme leur cousin carbone, graphène - dans lequel les atomes sont à plat, dans une feuille à deux dimensions - ils sont parmi les plus forts, matériaux les plus légers et flexibles connus.

"Des siècles en avance rapide, " a déclaré le Dr Stephan Hofmann du Département d'ingénierie, "Et nous réalisons maintenant qu'il existe toute une famille de ces formes extraordinaires de carbone en origami… et comment les fabriquer." En réalité, l'Université a plus de 25 ans d'expérience de pointe en nanotechnologie du carbone, du diamant aux nanotubes, et des polymères conducteurs au carbone de type diamant et au graphène.

Ce qui rend les nanoformes de carbone telles que le graphène et les NTC si excitantes, ce sont leurs propriétés électriques et thermiques. Leur utilisation potentielle dans des applications telles que le câblage électrique plus léger, piles plus minces, des matériaux de construction plus solides et des appareils flexibles pourraient avoir un impact transformationnel sur l'énergie, secteurs des transports et de la santé. Par conséquent, des investissements totalisant des millions de livres sous-tendent désormais la recherche et le développement dans la recherche sur le carbone à travers l'Université.

"Mais tous les superlatifs attribués aux matériaux se réfèrent à un individu, atomiquement parfait, nanotube ou flocon de graphène, " Hofmann a ajouté. " L'éléphant fréquemment photographié soutenu par une feuille de graphène incarne les attentes souvent non réalistes. Le défi reste d'atteindre une haute qualité à grande échelle et à faible coût, et d'interfacer et d'intégrer les matériaux dans les appareils."

Tels sont les types de défis que les chercheurs des départements de génie, Science des matériaux et métallurgie, Physique et chimie, et le Cambridge Graphene Center s'efforcent de les surmonter.

Professeur Alan Windle du Département des sciences des matériaux et de la métallurgie, par exemple, utilise un procédé de dépôt chimique en phase vapeur pour « filer » des fibres très résistantes et résistantes entièrement constituées de NTC. Les nanotubes forment de la fumée dans le réacteur mais, car ils sont enchevêtrés et élastiques, les fibres peuvent être enroulées en continu hors du réacteur comme de la nano barbe à papa. La texture filiforme des fibres leur confère une ténacité et une résistance à la coupe extraordinaires, ce qui en fait des alternatives prometteuses aux fibres de carbone ou aux fibres polymères hautes performances comme le Kevlar, ainsi que pour la construction de polymères renforcés de fibres sur mesure utilisés dans les applications aérospatiales et sportives.

C'est sur le plan électrique qu'ils relèvent leur plus grand défi, comme l'a expliqué Windle :"Le processus de fabrication est en train d'être étendu grâce à une spin-out de Cambridge, Q-Flo ; cependant, la conductivité électrique est le prochain grand défi pour les fibres CNT en laboratoire. Comprendre et développer la fibre en remplacement des conducteurs en cuivre va changer le monde, avec d'énormes avantages."

En 2013, Le collègue de Windle, le Dr Krzysztof Koziol, a réussi à fabriquer un câblage électrique entièrement composé de fibres CNT et à développer un alliage capable de souder des fils de carbone au métal, permettant d'intégrer des fils CNT dans des circuits classiques. L'équipe fabrique désormais des fils allant de quelques micromètres à quelques millimètres de diamètre à une vitesse pouvant atteindre 20 mètres par minute – ce qui n'est pas une mince affaire si l'on considère que chaque NTC est dix mille fois plus étroit qu'un cheveu humain.

Avec le financement de la Royal Society et du Conseil européen de la recherche (ERC), la recherche vise à utiliser les NTC pour remplacer le cuivre et l'aluminium dans le câblage électrique domestique, les lignes aériennes de transport d'électricité et les aéronefs. Les NTC transportent plus de courant, perdent moins d'énergie en chaleur et ne nécessitent pas d'extraction minérale de la terre.

De plus, ils peuvent être fabriqués à partir de gaz à effet de serre; L'équipe de Koziol travaille avec la société dérivée FGV Cambridge Nanosystems pour devenir la première entreprise au monde à produire des NTC et du graphène de haute qualité directement à partir de gaz naturel ou de biogaz contaminé. L'entreprise opère déjà à l'échelle industrielle, avec du graphène de haute pureté produit à 1 kg par heure. "L'objectif est de produire des matériaux de haute qualité qui peuvent être directement mis en œuvre dans de nouveaux appareils, ou utilisé pour améliorer d'autres matériaux, comme le verre, métal ou polymères, "
dit Koziol.

Travailler directement avec l'industrie sera essentiel pour accélérer la transition du laboratoire à l'usine pour les nouveaux matériaux. Hofmann mène un grand effort pour développer la technologie de fabrication et de traitement intégré pour les NTC, le graphène et les nanomatériaux associés, avec le financement de l'ERC et du Conseil de recherche en ingénierie et sciences physiques (EPSRC), et en collaboration avec un réseau de partenaires industriels.

"Le domaine est à une étape très excitante, " il a dit, "maintenant, non seulement pouvons-nous « voir » et résoudre leurs structures complexes, mais de nouvelles techniques de caractérisation nous permettent de réaliser des vidéos en temps réel de leur assemblage, atome par atome. Nous commençons à comprendre ce qui régit leur croissance et comment ils se comportent dans des environnements industriels pertinents. Cela nous permet de mieux contrôler leurs propriétés, alignement, emplacement et interfaces avec d'autres matériaux, ce qui est essentiel pour libérer leur potentiel commercial."

Pour les applications haut de gamme dans l'industrie électronique et photonique, atteindre ce niveau de contrôle n'est pas seulement souhaitable mais une nécessité. La capacité de produire du carbone de manière contrôlée sous ses nombreuses formes structurelles élargit le « portefeuille de matériaux » dont dispose un ingénieur moderne. Avec des films ou des structures de carbone déjà présents dans des produits tels que les disques durs, lames de rasoir et batteries lithium-ion, l'utilisation industrielle des NTC se généralise de plus en plus, conduit, par exemple, par la demande de nouvelles technologies telles que les appareils flexibles et notre besoin de récolter, convertir et stocker l'énergie plus efficacement.

Professeur Andrea Ferrari, Directeur du Cambridge Graphene Center et du programme de formation doctorale, qui a été financé par une subvention de 17 millions de livres sterling de l'EPSRC, a expliqué : « Les gens peuvent désormais fabriquer du graphène à la tonne – ce n'est pas un problème. Le défi consiste à faire correspondre les propriétés du graphène que vous produisez avec l'application finale. Nos installations et équipements ont été sélectionnés pour promouvoir l'alignement avec l'industrie ; nous avons des collaborations avec plus de 20 entreprises qui partagent notre agenda pour faire progresser les applications réelles, et bien d'autres discutent de leur implication dans nos activités."

Cambridge a été le pionnier de l'ingénierie et de la technologie du graphène depuis le tout début et, avec de multiples retombées, est devenu une plaque tournante pour la fabrication et l'innovation de graphène. Le Cambridge Graphene Center vise à améliorer les techniques de fabrication du graphène et des matériaux connexes, ainsi que d'explorer des applications dans les domaines des dispositifs de stockage et de récupération d'énergie, électronique haute fréquence, photonique, électronique flexible et portable, et composites. Le graphène fait également l'objet de financements européens à grande échelle - le Graphene Flagship, un 10 ans paneuropéen, Un programme scientifique et technologique d'un milliard d'euros a été lancé en 2013. Ferrari a été l'un des principaux chercheurs qui ont préparé la proposition, a dirigé l'élaboration de la feuille de route scientifique et technologique du projet, et préside maintenant le conseil d'administration du Flagship.

Maintenant, les travaux de construction ont commencé sur une installation sur mesure de 12,9 millions de livres sterling qui accueillera le Cambridge Graphene Centre, avec des espaces supplémentaires pour l'électronique de grande surface. L'installation devrait ouvrir à la fin du printemps 2015.

"Nous reconnaissons qu'il reste encore beaucoup à faire avant que la première promesse ne devienne réalité, mais il y a de grandes opportunités maintenant, " a déclaré Ferrari. "Nous sommes au début d'un voyage. Nous ne connaissons pas le résultat final, mais le potentiel du graphène et des matériaux associés est tel qu'il est parfaitement logique de consacrer un effort important à cela dès le début."