Le processus de fabrication d'un empilement de feuilles parallèles de graphène commence par un processus de dépôt chimique en phase vapeur (I) pour fabriquer une feuille de graphène avec un revêtement polymère; ces couches sont ensuite empilées (II), plié et coupé (III) et empilé à nouveau et pressé, multiplier le nombre de couches. L'équipe a utilisé une méthode connexe pour produire des fibres en forme de spirale. Crédit :Avec l'aimable autorisation des chercheurs
Adaptant une vieille astuce utilisée depuis des siècles aussi bien par les orfèvres que par les pâtissiers, une équipe de chercheurs du MIT a trouvé un moyen de créer efficacement des matériaux composites contenant des centaines de couches qui ne sont que des atomes d'épaisseur mais s'étendent sur toute la largeur du matériau. La découverte pourrait ouvrir de vastes possibilités pour concevoir de nouveaux, composites faciles à fabriquer pour dispositifs optiques, systèmes électroniques, et des matériaux de haute technologie.
Le travail est décrit cette semaine dans un article de Science par Michael Strano, le professeur Carbon P. Dubbs en génie chimique; post-doctorant Pingwei Liu; et 11 autres étudiants du MIT, post-doctorants, et professeurs.
Des matériaux tels que le graphène, une forme bidimensionnelle de carbone pur, et nanotubes de carbone, de minuscules cylindres qui sont essentiellement du graphène enroulé, sont « parmi les plus forts, matériaux les plus durs dont nous disposons, " dit Strano, parce que leurs atomes sont entièrement maintenus ensemble par des liaisons carbone-carbone, qui sont "le plus fort que la nature nous donne" pour travailler avec les liaisons chimiques. Donc, les chercheurs ont cherché des moyens d'utiliser ces nanomatériaux pour ajouter une grande résistance aux matériaux composites, tout comme les barres d'acier sont utilisées pour renforcer le béton.
Le plus gros obstacle a été de trouver des moyens d'intégrer ces matériaux dans une matrice d'un autre matériau de manière ordonnée. Ces feuilles et tubes minuscules ont une forte tendance à s'agglutiner, donc le simple fait de les mélanger dans un lot de résine liquide avant qu'il ne durcisse ne fonctionne pas du tout. L'idée de l'équipe du MIT était de trouver un moyen de créer un grand nombre de couches, empilés de manière parfaitement ordonnée, sans avoir à empiler chaque couche individuellement.
Bien que le processus soit plus complexe qu'il n'y paraît, au cœur de celui-ci se trouve une technique similaire à celle utilisée pour fabriquer des lames d'épée en acier ultrarésistant, ainsi que la pâte feuilletée qui est en baklava et napoléons. Une couche de matériau, que ce soit de l'acier, Pâte, ou graphène - est étalé à plat. Puis, la matière se replie sur elle-même, pilonné ou déroulé, et puis a encore doublé, et encore, et encore.
A chaque pli, le nombre de couches double, produisant ainsi une augmentation exponentielle de la stratification. Seulement 20 plis simples produiraient plus d'un million de couches parfaitement alignées.
Maintenant, cela ne fonctionne pas exactement de cette façon à l'échelle nanométrique. Dans cette recherche, plutôt que de plier le matériel, l'équipe a découpé l'ensemble du bloc, lui-même constitué de couches alternées de graphène et de matériau composite, en quartiers, puis glissé un quart sur l'autre, quadrupler le nombre de couches, puis répéter le processus. Mais le résultat était le même :un empilement uniforme de couches, produit rapidement, et déjà noyée dans le matériau de la matrice, dans ce cas du polycarbonate, pour former un composite.
Dans leurs tests de preuve de concept, l'équipe du MIT a produit des composites contenant jusqu'à 320 couches de graphène. Ils ont pu démontrer que même si la quantité totale de graphène ajoutée au matériau était infime (moins de 1/10 de pour cent en poids), cela entraînait une nette amélioration de la résistance globale.
"Le graphène a un rapport hauteur/largeur effectivement infini, " Strano dit, car il est infiniment mince mais peut couvrir des tailles suffisamment grandes pour être vues et manipulées. "Il peut couvrir deux dimensions du matériau, " même s'il n'a que quelques nanomètres d'épaisseur. Le graphène et une poignée d'autres matériaux 2-D connus sont "les seuls matériaux connus qui peuvent le faire, " il dit.
L'équipe a également trouvé un moyen de fabriquer des fibres structurées à partir de graphène, permettant potentiellement la création de fils et de tissus avec des fonctions électroniques embarquées, ainsi qu'une autre classe de composites. La méthode utilise un mécanisme de cisaillement, un peu comme une trancheuse à fromage, décoller des couches de graphène de manière à les faire s'enrouler en forme de spirale, techniquement connue sous le nom de spirale d'Archimède.
Cela pourrait surmonter l'un des plus gros inconvénients du graphène et des nanotubes, quant à leur aptitude à se tisser en fibres longues :leur extrême glissance. Parce qu'ils sont si parfaitement lisses, les brins glissent les uns sur les autres au lieu de coller ensemble en un paquet. Et les nouveaux brins enroulés non seulement surmontent ce problème, ils sont également extrêmement extensibles, contrairement à d'autres matériaux super résistants tels que le Kevlar. Cela signifie qu'ils pourraient se prêter à être tissés dans des matériaux protecteurs qui pourraient « céder » sans se casser.
Une caractéristique inattendue des nouveaux composites stratifiés, Strano dit, est que les couches de graphène, qui sont extrêmement conducteurs d'électricité, maintenir leur continuité tout au long de leur échantillon composite sans aucun court-circuit avec les couches adjacentes. Donc, par exemple, le simple fait d'insérer une sonde électrique dans la pile à une certaine profondeur précise permettrait d'"adresser" de manière unique l'une quelconque des centaines de couches. Cela pourrait finalement conduire à de nouveaux types d'électronique multicouche complexe, il dit.
