Les scientifiques et les ingénieurs sont engagés dans une course mondiale pour fabriquer de nouveaux matériaux aussi minces, léger et fort possible. Ces propriétés peuvent être obtenues en concevant des matériaux au niveau atomique, mais ils ne sont utiles que s'ils peuvent sortir des conditions soigneusement contrôlées d'un laboratoire.

Des chercheurs de l'Université de Pennsylvanie ont maintenant créé les plaques les plus minces pouvant être ramassées et manipulées à la main.

Bien qu'il soit des milliers de fois plus fin qu'une feuille de papier et des centaines de fois plus fin qu'un film alimentaire ou une feuille d'aluminium, leurs plaques ondulées d'oxyde d'aluminium reprennent leur forme d'origine après avoir été pliées et tordues.

Comme du film alimentaire, des matériaux comparativement minces se recroquevillent immédiatement sur eux-mêmes et se coincent dans des formes déformées s'ils ne sont pas étirés sur un cadre ou soutenus par un autre matériau.

Pouvoir garder la forme sans soutien supplémentaire permettrait à ce matériel, et d'autres conçus sur ses principes, pour être utilisé dans l'aviation et d'autres applications structurelles où le faible poids est une prime.

L'étude a été dirigée par Igor Bargatin, la classe de 1965 professeur adjoint de génie mécanique et de mécanique appliquée à la Penn's School of Engineering and Applied Science, avec le membre du laboratoire Keivan Davami, un chercheur postdoctoral, et Prashant Purohit, professeur agrégé de génie mécanique. Les membres du laboratoire Bargatin John Cortes et Chen Lin, les deux étudiants diplômés; Lin Zhao, un ancien étudiant du programme de maîtrise en nanotechnologie de l'ingénierie; et Eric Lu et Drew Lilley, étudiants de premier cycle du programme intégré Vagelos en recherche énergétique, également contribué à la recherche.

Ils ont publié leurs découvertes dans la revue Communication Nature .

« Les matériaux à l'échelle nanométrique sont souvent beaucoup plus résistants que vous ne le pensez, mais ils peuvent être difficiles à utiliser à l'échelle macro", a déclaré Bargatin. "Nous avons essentiellement créé une plaque autoportante qui a une épaisseur nanométrique mais qui est suffisamment grande pour être manipulée à la main. Cela n'a jamais été fait auparavant."

Graphène, qui peut être aussi fin qu'un seul atome de carbone, a été l'enfant d'affiche pour les matériaux ultra-minces depuis que sa découverte a remporté le prix Nobel de physique en 2010. Le graphène est apprécié pour ses propriétés électriques, mais sa résistance mécanique est aussi très attractive, surtout s'il pouvait tenir tout seul. Cependant, le graphène et d'autres films atomiquement minces doivent généralement être étirés comme une toile dans un cadre, ou même monté sur un support, pour les empêcher de s'enrouler ou de s'agglutiner d'eux-mêmes.

"Le problème est que les cadres sont lourds, rendant impossible l'utilisation du poids intrinsèquement faible de ces films ultra-minces, " a déclaré Bargatin. "Notre idée était d'utiliser des ondulations au lieu d'un cadre. Cela signifie que les structures que nous fabriquons ne sont plus complètement planes, au lieu, ils ont une forme tridimensionnelle qui ressemble à un nid d'abeilles, mais ils sont plats et contigus et complètement autonomes."

"C'est comme une boîte à œufs, mais à l'échelle nanométrique, " dit Purohit.

Les plaques des chercheurs ont une épaisseur comprise entre 25 et 100 nanomètres et sont constituées d'oxyde d'aluminium, qui est déposé une couche atomique à la fois pour obtenir un contrôle précis de l'épaisseur et de leur forme distinctive en nid d'abeille.

"L'oxyde d'aluminium est en fait une céramique, donc quelque chose qui est d'ordinaire assez cassant, " dit Bargatin. " Vous vous y attendriez, de l'expérience quotidienne, à craquer très facilement. Mais les plaques se plient, tourner, déformer et reprendre leur forme de telle manière qu'on pourrait penser qu'ils sont en plastique. La première fois que nous l'avons vu, J'ai beaucoup de difficulté à y croire."

Une fois terminé, l'ondulation des plaques offre une rigidité accrue. Lorsqu'il est tenu à une extrémité, des films aussi minces se plieraient ou s'affaisseraient facilement, tandis que les plaques en nid d'abeille restent rigides. Cela prévient le défaut commun des films minces sans motif, où ils se recroquevillent sur eux-mêmes.

Cette facilité de déformation est liée à un autre comportement qui rend les films ultra-minces difficiles à utiliser en dehors des conditions contrôlées :ils ont tendance à épouser la forme de n'importe quelle surface et à s'y coller en raison des forces de Van der Waals. Une fois coincé, ils sont difficiles à enlever sans les endommager.

Les films totalement plats sont également particulièrement sensibles aux déchirures ou aux fissures, qui peut se propager rapidement dans tout le matériau.

« Si une fissure apparaît dans nos assiettes, cependant, il ne va pas jusqu'au bout de la structure, ", a déclaré Davami. "Il s'arrête généralement lorsqu'il atteint l'une des parois verticales de l'ondulation."

Le motif ondulé des plaques est un exemple d'un domaine de recherche relativement nouveau :les métamatériaux mécaniques. Comme leurs homologues électromagnétiques, les métamatériaux mécaniques obtiennent des propriétés autrement impossibles grâce à l'agencement minutieux des caractéristiques à l'échelle nanométrique. Dans le cas des métamatériaux mécaniques, ces propriétés sont des choses comme la rigidité et la résistance, plutôt que leur capacité à manipuler les ondes électromagnétiques.

D'autres exemples existants de métamatériaux mécaniques comprennent les « nanotrusses, " qui sont des échafaudages tridimensionnels exceptionnellement légers et robustes fabriqués à partir de tubes à l'échelle nanométrique. Les plaques des chercheurs de Penn poussent le concept de métamatériaux mécaniques un peu plus loin, en utilisant l'ondulation pour obtenir une robustesse similaire sous forme de plaque et sans les trous trouvés dans les structures en treillis.

Cette combinaison de traits pourrait être utilisée pour fabriquer des ailes pour des robots volants inspirés des insectes, ou dans d'autres applications où la combinaison d'une épaisseur ultra-faible et d'une robustesse mécanique est critique.

"Les ailes des insectes ont quelques microns d'épaisseur, et ne peuvent pas s'amincir parce qu'ils sont faits de cellules, " a déclaré Bargatin. " Le matériau d'aile synthétique le plus fin que je connaisse est fabriqué en déposant un film de Mylar sur un cadre, et il fait environ un demi-micron d'épaisseur. Nos assiettes peuvent être dix fois plus fines que cela, et n'ont pas du tout besoin d'un cadre. Par conséquent, ils pèsent aussi peu qu'un dixième de gramme par mètre carré."