Loin d'être un défaut, un fil d'enroulement d'anneaux impairs à la frontière de deux feuilles de graphène a des qualités qui peuvent s'avérer précieuses pour les fabricants, selon les scientifiques de l'Université Rice.

Graphène, la forme de carbone à épaisseur atomique, apparaît rarement comme un réseau parfait d'anneaux à six atomes ressemblant à du fil de poulet. Lorsqu'il est cultivé par dépôt chimique en phase vapeur, il se compose généralement de « domaines, " ou des feuilles cultivées séparément qui fleurissent vers l'extérieur à partir de catalyseurs chauds jusqu'à ce qu'elles se rencontrent.

Où ils se rencontrent, les rangées régulières d'atomes ne sont pas nécessairement alignées, ils doivent donc s'ajuster s'ils veulent former un plan de graphène continu. Cet ajustement apparaît comme un joint de grain, avec des rangées irrégulières d'anneaux à cinq et sept atomes qui compensent la disparité angulaire.

Le laboratoire Rice du physicien théoricien Boris Yakobson avait calculé que les anneaux à sept atomes de carbone peuvent être des points faibles qui diminuent la force légendaire du graphène. Mais de nouvelles recherches à Rice montrent que des joints de grains sinueux peuvent, dans certains cas, durcir ce qu'on appelle des feuilles polycristallines, correspondant presque à la force du graphène vierge.

Idéalement, ils peuvent également créer un « écart de transport électronique important, " ou bande interdite, selon le papier. Le graphène parfait permet le transport balistique de l'électricité, mais l'électronique nécessite des matériaux qui peuvent arrêter et démarrer le flux de manière contrôlable. Ils sont connus sous le nom de semi-conducteurs, et la capacité de contrôler les caractéristiques semi-conductrices du graphène (et d'autres matériaux bidimensionnels) est un objectif très recherché.

Dans le nouveau travail, qui apparaît dans Matériaux fonctionnels avancés , Yakobson et son équipe dirigée par le chercheur postdoctoral Zhuhua Zhang ont déterminé qu'à certains angles, ces limites « sinueuses » soulagent les contraintes qui fragiliseraient autrement la feuille.

« Si le stress le long de la frontière était atténué, la force du graphène serait renforcée, ", a déclaré Zhang. "Mais cela ne s'applique qu'aux joints de grains sinueux par rapport aux joints droits."

Yakobson et son équipe calculent la résistance mécanique des joints de grains pour déterminer comment ils s'influencent les uns les autres :où les joints sont enclins à se lier et où ils sont susceptibles de se rompre sous contrainte de traction. Les joints de grains pourraient minimiser l'énergie d'interface entre les feuilles en formant des paires d'anneaux appelés dislocations, où un atome passe d'un cycle à six membres à son voisin pour former des unités connectées à cinq et sept atomes.

Parfois, les angles des domaines dictent des limites sinueuses plutôt que droites. Zhang et ses co-auteurs ont simulé ces frontières sinueuses pour mesurer leur résistance à la traction et leurs propriétés de bande interdite. Il a déterminé que là où ces petites sections sont périodiques, c'est-à-dire lorsque leurs motifs se répètent sur toute la longueur de la frontière, leurs qualités s'appliquent à l'ensemble de la feuille polycristalline.

Remarquablement, l'une de ses simulations de joints de grains sinueux énergétiquement « préférés » correspondait presque parfaitement à la limite asymétrique qu'il avait repérée dans un article de 2011 dans la revue Nature. L'image de microscopie électronique à transmission à balayage a montré une structure de limite de grain atomique avec un arrangement très similaire de dislocations. Une seule paire de bagues sur la centaine en vue n'était pas à sa place, probablement en raison d'une distorsion causée par l'irradiation du faisceau d'électrons du microscope, dit Zhang.

Pour profiter des prédictions du Rice lab, les scientifiques devraient trouver comment faire pousser du graphène polycristallin avec un désalignement précis des composants. C'est un défi de taille, dit Yakobson.

"Mais ceci—jusqu'à présent, hypothétiquement - peut être obtenu si le graphène nuclée au niveau du substrat métallique polycristallin avec des orientations de grains prescrites de sorte que les îlots de carbone émergents héritent du désalignement du modèle en dessous, " a déclaré Yakobson.