Graphène, le matériau miracle ultra-mince d'une épaisseur d'un seul atome de carbone, tient la promesse d'applications aussi impressionnantes que la résistance à l'usure, revêtements sans frottement. Mais les premiers fabricants doivent être capables de produire de grandes feuilles de graphène dans des conditions contrôlées avec précision. Dirk van Baarle a étudié comment le graphène se développe à l'échelle atomique et ce qui détermine le frottement avec d'autres matériaux.

Qualité prévisible

Un presque parfaitement sans friction, Le revêtement résistant à l'usure des machines pourrait générer d'énormes économies de carburant et d'entretien. Dans le monde de la nanotechnologie, de tels revêtements auront probablement même des applications que nous ne sommes actuellement pas en mesure de prévoir. Dans sa thèse de doctorat, Dirk van Baarle a étudié un candidat pour de tels revêtements :le graphène. Van Baarle :« C'est tout un défi de produire du graphène d'une qualité prévisible.

Le graphène n'est super résistant que si le treillis métallique d'atomes de carbone qui composent le matériau est de forme parfaitement régulière. Mais avec les méthodes de production actuelles, une feuille de graphène est en pratique presque toujours constituée d'un patchwork de petits morceaux qui ont été greffés les uns sur les autres. Van Baarle a pu observer presque par atome de carbone en direct comment les îles de graphène se développent les unes vers les autres et comment ce processus est influencé par la température et le substrat. Il s'agit de la première étape vers une méthode de production pour faire plus grand, feuilles de graphène impeccables.

Modèle de fil de poulet

Le graphène apparaît spontanément lorsqu'une surface très propre d'iridium entre en contact avec de l'éthylène (C2H4, un hydrocarbure) à une température d'environ 700 degrés Celsius. Les molécules de gaz se désagrègent sur la surface chaude, laissant derrière eux les atomes de carbone, qui forment spontanément un réseau d'hexagones liés, dans un motif de grillage.

Pour ses recherches, Van Baarle a utilisé un équipement unique au laboratoire Huygens-Kamerlingh Onnes, le VT-STM (microscope à effet tunnel à température variable). Cet appareil est composé d'un minuscule stylet dont la pointe n'a que quelques atomes d'épaisseur. Il peut être utilisé pour scanner systématiquement une surface avec un degré de précision si élevé (ce que vous faites en fait, c'est mesurer le flux d'électricité entre le stylet et la surface) que même des atomes individuels peuvent être distingués. Ce qui rend l'instrument Leiden unique, c'est qu'il peut le faire même à des températures élevées et variables.

Une découverte remarquable est que les processus atomiques ne se produisent pas seulement dans la couche croissante de graphène. En pratique, la surface de l'iridium ne correspond pas parfaitement aux couches atomiques du substrat. L'iridium forme de larges marches en surface, où le graphène se développe dessus. Mais ces étapes peuvent continuer à croître sous le graphène ou peuvent se retirer en raison du réalignement des atomes d'iridium dans le substrat. Ce processus, trop, doit être étroitement contrôlé afin de permettre la formation de feuilles parfaites de graphène.

Points de contact

Dans la partie théorique de sa recherche, Van Baarle a développé un modèle de la façon dont la friction se produit au niveau atomique. Lorsque deux surfaces glissent l'une sur l'autre, les points de contact réels ne mesurent que quelques nanomètres, juste quelques atomes. Le frottement est à son maximum lorsque la raideur des nano-saillies est à peu près moyenne :pas trop molle, mais pas trop rigide non plus.

Van Baarle :« Un de mes collègues enduit actuellement un objet de nano-aiguilles en utilisant une technique de lithographie (une technique qui est également utilisée pour les puces informatiques). Ces aiguilles varient en rigidité, selon la direction dans laquelle ils se plient. Cela signifie que le frottement de la surface est différent dans différentes directions." Cela peut être utile, par exemple, pour un revêtement sur un axe de rotation, pour l'empêcher de bouger latéralement.

« En interne, nous utilisons déjà des revêtements de graphène dans nos équipements pour réduire les frottements sans utiliser de lubrifiants, " explique Van Baarle. " Cela s'est déjà traduit par un brevet et une start-up, Nanocouches appliquées. Pas étonnant que notre professeur, Joost Frenken, a déjà remporté un prix de valorisation."