Des chercheurs de l'Université Rice ont découvert que placer des piliers de nanotubes entre des feuilles de graphène pouvait créer des structures hybrides avec un équilibre unique de force, ténacité et ductilité dans les trois dimensions.

Les nanomatériaux de carbone sont maintenant courants sous forme de feuilles plates, nanotubes et sphères, et ils sont envisagés pour être utilisés comme blocs de construction dans des structures hybrides avec des propriétés uniques pour l'électronique, transport de chaleur et résistance. L'équipe Rice pose les bases théoriques de telles structures en analysant comment les jonctions des blocs influencent les propriétés des matériaux recherchés.

Le scientifique des matériaux de riz Rouzbeh Shahsavari et l'ancien élève Navid Sakhavand ont calculé comment divers liens, notamment entre les nanotubes de carbone et le graphène, affecterait les propriétés de l'hybride final dans toutes les directions. Ils ont découvert que l'introduction de jonctions ajouterait une flexibilité supplémentaire tout en maintenant presque la même résistance par rapport aux matériaux en graphène en couches.

Leurs résultats paraissent cette semaine dans le journal Carbone .

Les nanotubes de carbone sont des réseaux enroulés d'hexagones parfaits d'atomes; le graphène est une feuille déroulée du même. Les deux sont super puissants et excellent dans la transmission des électrons et de la chaleur. Mais quand les deux sont réunis, la façon dont les atomes sont disposés peut influencer toutes ces propriétés.

"Certains laboratoires essaient activement de fabriquer ces matériaux ou de mesurer des propriétés telles que la résistance de nanotubes simples et de feuilles de graphène, " a déclaré Shahsavari. "Mais nous voulons voir ce qui se passe et prédire quantitativement les propriétés des versions hybrides du graphène et des nanotubes. Ces structures hybrides confèrent de nouvelles propriétés et fonctionnalités qui sont absentes de leurs structures mères :le graphène et les nanotubes. »

À cette fin, le laboratoire a assemblé des modèles informatiques tridimensionnels de « nanostructures de graphène à piliers, " semblable aux structures de nitrure de bore modélisées dans une étude précédente pour analyser le transfert de chaleur entre les couches.

"Cette fois, nous nous sommes intéressés à une compréhension globale des propriétés élastiques et inélastiques des matériaux en carbone 3D pour tester leur résistance mécanique et leurs mécanismes de déformation, " a déclaré Shahsavari. "Nous avons comparé nos structures hybrides 3-D avec les propriétés des feuilles de graphène empilées 2-D et des nanotubes de carbone 1-D."

Les feuilles de graphène en couches conservent leurs propriétés dans le plan, mais présentent peu de rigidité ou de conductance thermique d'une feuille à l'autre, il a dit. Mais les modèles de graphène à piliers ont montré une résistance et une rigidité bien meilleures et une amélioration de 42% de la ductilité hors plan, la capacité de se déformer sous contrainte sans se casser. Ce dernier permet au graphène à piliers de présenter une ténacité remarquable le long des directions hors du plan, une caractéristique qui n'est pas possible dans les feuilles de graphène empilées en 2D ou les nanotubes de carbone en 1D, dit Shahsavari.

Les chercheurs ont calculé comment les énergies inhérentes des atomes forcent les hexagones à prendre ou à perdre des atomes au profit des anneaux voisins, selon la façon dont ils se joignent à leurs voisins. En forçant cinq, anneaux à sept voire huit atomes, ils ont découvert qu'ils pouvaient obtenir un certain contrôle sur les propriétés mécaniques de l'hybride. Tourner les nanotubes de manière à forcer les plis dans les feuilles de graphène a ajouté plus de flexibilité et de conformité au cisaillement, dit Shahsavari.

Lorsque le matériau s'est cassé, les chercheurs ont trouvé qu'il était beaucoup plus probable que cela se produise au niveau des anneaux à huit membres, où une grande partie de la tension se rassemble en cas de stress. Cela conduit à la notion que les hybrides peuvent être réglés pour échouer dans des circonstances particulières.

« C'est la première fois que quelqu'un crée une « lentille » atomistique aussi complète pour examiner les propriétés médiées par la jonction des nanomatériaux de carbone 3D, " Shahsavari a déclaré. "Nous pensons que les principes peuvent être appliqués à d'autres matériaux de faible dimension tels que le nitrure de bore et le molybdène/tungstène ou leurs combinaisons."

Shahsavari est professeur adjoint de génie civil et environnemental et de science des matériaux et nano-ingénierie à Rice.