Froissez un morceau de papier et il est probablement destiné à la poubelle, mais de nouvelles recherches montrent que le froissement répété des feuilles de graphène, un nanomatériau, peut en fait améliorer certaines de ses propriétés. Dans certains cas, plus c'est froissé, mieux c'est.

Les recherches des ingénieurs de l'Université Brown montrent que le graphène, froissé et froissé dans un processus en plusieurs étapes, devient nettement meilleur pour repousser l'eau, une propriété qui pourrait être utile pour fabriquer des surfaces autonettoyantes. Le graphène froissé a également des propriétés électrochimiques améliorées, ce qui pourrait le rendre plus utile comme électrodes dans les batteries et les piles à combustible.

Les résultats sont publiés dans la revue Matériaux avancés .

Des générations de rides

Cette nouvelle recherche s'appuie sur les travaux antérieurs de Robert Hurt et Ian Wong, de la Brown's School of Engineering. L'équipe avait déjà montré qu'en introduisant des rides dans le graphène, ils pourraient fabriquer des substrats pour la culture de cellules plus proches des environnements complexes dans lesquels les cellules se développent dans le corps. Pour ce dernier ouvrage, les chercheurs dirigés par Po-Yen Chen, un stagiaire postdoctoral Hibbit, voulait construire des architectures plus complexes intégrant à la fois des rides et des froissements. "Je voulais voir s'il y avait un moyen de créer des structures de génération supérieure, " dit Chen.

Pour faire ça, les chercheurs ont déposé des couches d'oxyde de graphène sur des films rétractables, des membranes polymères qui rétrécissent lorsqu'elles sont chauffées (les enfants peuvent les connaître sous le nom de Shrinky Dinks). Au fur et à mesure que les films rétrécissent, le graphène sur le dessus est compressé, le faisant se froisser et se froisser. Pour voir quel genre de structures ils pourraient créer, les chercheurs ont compressé plusieurs fois les mêmes feuilles de graphène. Après le premier rétrécissement, le film s'est dissous, et le graphène a été placé dans un nouveau film pour être à nouveau rétréci.

Les chercheurs ont expérimenté différentes configurations dans les générations successives de rétrécissement. Par exemple, parfois ils ont serré les extrémités opposées des films, ce qui les a fait rétrécir le long d'un seul axe. Les films serrés ont donné des feuilles de graphène avec des des rides essentiellement parallèles sur toute sa surface. Les films non serrés ont rétréci en deux dimensions, dans le sens de la longueur et de la largeur, créant une surface de graphène qui a été froissée dans des formes aléatoires.

L'équipe a expérimenté ces différents modes de rétrécissement sur trois générations successives. Par exemple, ils pourraient rétrécir la même feuille de graphène sur un film serré, puis un film desserré, puis serré à nouveau ; ou non bridé, serré, desserré. Ils ont également fait tourner le graphène dans différentes configurations entre les rétrécissements, plaçant parfois la feuille perpendiculairement à son orientation d'origine.

L'équipe a découvert que l'approche multigénérationnelle pouvait compresser considérablement les feuilles de graphène, ce qui les rend aussi petits qu'un quarantième de leur taille d'origine. Ils ont également montré que les générations successives pouvaient créer des motifs intéressants le long de la surface - des rides et des froissements qui se superposaient les uns aux autres, par exemple.

"Au fur et à mesure que vous approfondissez les générations, vous avez tendance à obtenir des structures de longueur d'onde plus grandes avec l'original, structure de longueur d'onde plus petite des générations précédentes qui leur est intégrée, " dit Robert Hurt, professeur d'ingénierie à Brown et l'un des auteurs correspondants de l'article.

Une feuille qui a été rétrécie serrée, desserré, et ensuite serrées semblaient différentes de celles qui étaient desserrées, serré, desserré, par exemple.

« La séquence compte, " dit Wong, également un auteur correspondant sur le papier. "Ce n'est pas comme une multiplication où 2 fois 3 équivaut à 3 fois 2. Le matériau a une" mémoire "et nous obtenons des résultats différents lorsque nous froissons ou froissons dans un ordre différent."

Les chercheurs ont généré une sorte de taxonomie des structures nées de différentes configurations de rétrécissement. Ils ont ensuite testé plusieurs de ces structures pour voir comment elles modifiaient les propriétés des feuilles de graphène.

Propriétés améliorées

Ils ont montré qu'une surface de graphène très froissée devient superhydrophobe, capable de résister au mouillage par l'eau. Lorsque l'eau touche une surface hydrophobe, il perle et roule. Lorsque l'angle de contact de ces billes d'eau avec une surface sous-jacente dépasse 160 degrés, ce qui signifie que très peu de la surface de la bille d'eau touche le matériau, le matériau est dit superhydrophobe. Les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient fabriquer du graphène superhydrophobe avec trois rétrécissements non serrés.

L'équipe a également montré que le froissement pouvait améliorer les comportements électrochimiques du graphène, qui pourrait être utile dans le stockage et la production d'énergie de prochaine génération. La recherche a montré que le graphène froissé utilisé comme électrode de batterie avait jusqu'à 400 % d'augmentation de la densité de courant électrochimique par rapport aux feuilles de graphène plates. Cette augmentation de la densité de courant pourrait rendre les batteries beaucoup plus efficaces.

"Vous n'avez pas besoin d'un nouveau matériel pour le faire, " dit Chen. " Tu as juste besoin de froisser le graphène. "

En plus des batteries et des revêtements résistants à l'eau, le graphène compressé de cette manière pourrait également être utile dans l'électronique extensible - un capteur portable, par exemple.

Le groupe prévoit de continuer à expérimenter différentes manières de générer des structures sur le graphène et d'autres nanomatériaux.

« Il existe de nombreux nouveaux nanomatériaux bidimensionnels qui ont des propriétés intéressantes, pas seulement du graphène, " a déclaré Wong. "Donc, d'autres matériaux ou combinaisons de matériaux peuvent également s'organiser en structures intéressantes avec des fonctionnalités inattendues."