Une équipe de chercheurs du MIT a conçu l'un des matériaux légers les plus résistants connus, par compression et fusion de paillettes de graphène, une forme bidimensionnelle de carbone. Le nouveau matériel, une configuration en forme d'éponge avec une densité de seulement 5 pour cent, peut avoir une résistance 10 fois supérieure à celle de l'acier.

Sous sa forme bidimensionnelle, Le graphène est considéré comme le plus résistant de tous les matériaux connus. Mais jusqu'à présent, les chercheurs ont eu du mal à traduire cette force bidimensionnelle en matériaux tridimensionnels utiles.

Les nouvelles découvertes montrent que l'aspect crucial des nouvelles formes 3-D a plus à voir avec leur configuration géométrique inhabituelle qu'avec le matériau lui-même, ce qui suggère que la même forte, les matériaux légers pourraient être fabriqués à partir d'une variété de matériaux en créant des caractéristiques géométriques similaires.

Les résultats sont rapportés aujourd'hui dans le journal Avancées scientifiques , dans un article de Markus Buehler, le directeur du département de génie civil et environnemental (CEE) du MIT et le professeur d'ingénierie McAfee; Zhao Qin, un chercheur scientifique du CEE ; Gang Seob Jung, un étudiant diplômé; et Min Jeong Kang MEng '16, un jeune diplômé.

D'autres groupes avaient suggéré la possibilité de telles structures légères, mais les expériences de laboratoire jusqu'à présent n'avaient pas correspondu aux prédictions, avec certains résultats présentant plusieurs ordres de grandeur moins de force que prévu. L'équipe du MIT a décidé de résoudre le mystère en analysant le comportement du matériau jusqu'au niveau des atomes individuels au sein de la structure. Ils ont pu produire un cadre mathématique qui correspond de très près aux observations expérimentales.

Les matériaux bidimensionnels - essentiellement des feuilles plates qui n'ont qu'un atome d'épaisseur mais peuvent être indéfiniment grandes dans les autres dimensions - ont une résistance exceptionnelle ainsi que des propriétés électriques uniques. Mais en raison de leur extraordinaire minceur, "ils ne sont pas très utiles pour fabriquer des matériaux 3D qui pourraient être utilisés dans des véhicules, immeubles, ou appareils, " Buehler dit. " Ce que nous avons fait est de réaliser le souhait de traduire ces matériaux 2-D en structures tridimensionnelles. "

L'équipe a pu compresser de petits flocons de graphène en utilisant une combinaison de chaleur et de pression. Ce processus a produit une forte, structure stable dont la forme ressemble à celle de certains coraux et créatures microscopiques appelées diatomées. Ces formes, qui ont une surface énorme par rapport à leur volume, s'est avérée remarquablement forte. « Une fois que nous avons créé ces structures 3D, nous voulions voir quelle est la limite, quel est le matériau le plus résistant possible que nous puissions produire, " dit Qin. Pour ce faire, ils ont créé une variété de modèles 3D et les ont ensuite soumis à divers tests. Dans les simulations informatiques, qui reproduisent les conditions de chargement dans les essais de traction et de compression effectués dans une machine de chargement de traction, "l'un de nos échantillons a 5 pour cent de la densité de l'acier, mais 10 fois la force, " dit Qin.

Buehler dit que ce qui arrive à leur matériau de graphène 3-D, qui est composé de surfaces courbes sous déformation, ressemble à ce qui se passerait avec des feuilles de papier. Le papier a peu de résistance sur sa longueur et sa largeur, et peut être facilement froissé. Mais une fois transformé en certaines formes, par exemple roulé dans un tube, du coup, la résistance sur toute la longueur du tube est beaucoup plus grande et peut supporter un poids substantiel. De la même manière, la disposition géométrique des paillettes de graphène après traitement forme naturellement une configuration très forte.

Les nouvelles configurations ont été réalisées en laboratoire à l'aide d'un écran haute résolution, imprimante 3D multimatériaux. Ils ont été testés mécaniquement pour leurs propriétés de traction et de compression, et leur réponse mécanique sous chargement a été simulée à l'aide des modèles théoriques de l'équipe. Les résultats des expériences et des simulations correspondent exactement.

Le nouveau, des résultats plus précis, basé sur la modélisation informatique atomistique de l'équipe du MIT, a exclu une possibilité proposée précédemment par d'autres équipes :qu'il soit possible de fabriquer des structures de graphène en 3D si légères qu'elles seraient en réalité plus légères que l'air, et pourrait être utilisé comme remplacement durable de l'hélium dans les ballons. Le travail actuel montre, cependant, qu'à de si faibles densités, le matériau n'aurait pas une résistance suffisante et s'effondrerait à cause de la pression atmosphérique environnante.

Mais de nombreuses autres applications possibles du matériau pourraient éventuellement être réalisables, disent les chercheurs, pour les utilisations qui nécessitent une combinaison de résistance extrême et de légèreté. "Vous pouvez soit utiliser le vrai matériau graphène, soit utiliser la géométrie que nous avons découverte avec d'autres matériaux, comme les polymères ou les métaux, " Buehler dit, obtenir des avantages similaires de résistance combinés à des avantages de coût, méthodes de traitement, ou d'autres propriétés matérielles (telles que la transparence ou la conductivité électrique).

"Vous pouvez remplacer le matériau lui-même par n'importe quoi, " Buehler dit. "La géométrie est le facteur dominant. C'est quelque chose qui a le potentiel d'être transféré à beaucoup de choses."

Les formes géométriques inhabituelles que le graphène forme naturellement sous la chaleur et la pression ressemblent à une boule Nerf - ronde, mais plein de trous. Ces formes, connu sous le nom de gyroïdes, sont si complexes que « les fabriquer en utilisant des méthodes de fabrication conventionnelles est probablement impossible, " dit Buehler. L'équipe a utilisé des modèles imprimés en 3D de la structure, agrandi à des milliers de fois leur taille naturelle, à des fins de test.

Pour la synthèse réelle, disent les chercheurs, une possibilité est d'utiliser le polymère ou les particules métalliques comme gabarits, les enduire de graphène par dépôt chimique en phase vapeur avant les traitements thermiques et sous pression, puis éliminer chimiquement ou physiquement les phases polymères ou métalliques pour laisser le graphène 3-D sous la forme gyroïde. Pour ça, le modèle de calcul donné dans la présente étude fournit une ligne directrice pour évaluer la qualité mécanique de la sortie de synthèse.

La même géométrie pourrait même être appliquée à des matériaux de structure à grande échelle, ils proposent. Par exemple, béton pour une structure un tel pont pourrait être réalisé avec cette géométrie poreuse, offrant une résistance comparable avec une fraction du poids. Cette approche aurait l'avantage supplémentaire de fournir une bonne isolation en raison de la grande quantité d'espace d'air clos à l'intérieur.

Parce que la forme est criblée de très petits espaces poreux, le matériau peut également trouver une application dans certains systèmes de filtration, pour le traitement de l'eau ou des produits chimiques. Les descriptions mathématiques dérivées par ce groupe pourraient faciliter le développement d'une variété d'applications, disent les chercheurs.