Graphène, un matériau constitué d'une seule couche d'atomes de carbone, a été présenté comme le matériau le plus résistant connu, 200 fois plus résistant que l'acier, plus léger que le papier, et avec des propriétés mécaniques et électriques extraordinaires. Mais peut-il tenir sa promesse ?

Des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie ont développé la première théorie statistique connue pour la ténacité du graphène polycristallin, qui est fait avec un dépôt chimique en phase vapeur, et a constaté qu'il est en effet fort (bien que pas aussi fort que le graphène monocristallin vierge), mais plus important, sa ténacité - ou résistance à la rupture - est assez faible. Leur étude, "Ténacité et résistance du graphène nanocristallin, " a été publié récemment dans Communication Nature .

"Ce matériau a certainement une très haute résistance, mais il a une ténacité particulièrement faible - inférieure à celle du diamant et un peu plus élevée que le graphite pur, " a déclaré Robert Ritchie, scientifique au Berkeley Lab. " Sa résistance extrêmement élevée est très impressionnante, mais nous ne pouvons pas nécessairement utiliser cette force à moins qu'elle n'ait une résistance à la rupture."

Ritchie, un scientifique principal de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et un expert de premier plan sur les raisons de l'échec des matériaux, était co-auteur de l'étude avec Ashivni Shekhawat, un Miller Research Fellow dans son groupe. Ensemble, ils ont développé un modèle statistique pour la ténacité du graphène polycristallin afin de mieux comprendre et prédire la défaillance du matériau.

"C'est un modèle mathématique qui prend en compte la nanostructure du matériau, " a déclaré Ritchie. "Nous constatons que la force varie avec la taille du grain jusqu'à un certain point, mais le plus important, c'est un modèle qui définit la résistance à la fracture du graphène."

Dureté, la résistance d'un matériau à la rupture, et la force, la résistance d'un matériau à la déformation, sont souvent des propriétés incompatibles entre elles. "Un matériau structurel doit avoir de la ténacité, " a expliqué Ritchie. " Nous n'utilisons tout simplement pas de matériaux solides dans les structures critiques, nous essayons d'utiliser des matériaux résistants. Quand vous regardez une telle structure, comme une cuve sous pression de réacteur nucléaire, il est fait d'un acier à résistance relativement faible, pas un acier à ultra haute résistance. Les aciers les plus durs sont utilisés pour fabriquer des outils comme une tête de marteau, mais vous ne les utiliseriez jamais pour fabriquer une structure critique à cause de la crainte d'une fracture catastrophique."

Comme les auteurs le notent dans leur article, bon nombre des applications de pointe pour lesquelles le graphène a été suggéré, telles que les écrans électroniques flexibles, revêtements anticorrosion, et les dispositifs biologiques - dépendent implicitement de ses propriétés mécaniques pour la fiabilité structurelle.

Bien que le graphène monocristallin pur puisse avoir moins de défauts, les auteurs ont étudié le graphène polycristallin car il est synthétisé de manière plus économique et plus courante par dépôt chimique en phase vapeur. Ritchie ne connaît qu'une seule mesure expérimentale de la ténacité du matériau.

"Nos chiffres étaient cohérents avec ce chiffre expérimental, " Il a dit. " En termes pratiques, ces résultats signifient qu'un ballon de football peut être placé sur une seule feuille de graphène monocristallin sans la casser. Quel objet peut être supporté par une feuille correspondante de graphène polycristallin ? Il s'avère qu'un ballon de football est beaucoup trop lourd, et le graphène polycristallin ne peut supporter qu'une balle de ping-pong. Toujours remarquable pour un matériau d'un atome d'épaisseur, mais plus aussi époustouflant."

Prochain, Shekhawat et Ritchie étudient les effets de l'ajout d'hydrogène au matériau. "Nous ne savons pas grand-chose sur la fracture du graphène, donc nous essayons de voir s'il est sensible à d'autres atomes, " at-il dit. "Nous constatons que les fissures se développent plus facilement en présence d'hydrogène."