À la recherche de véhicules plus efficaces, les ingénieurs utilisent des matériaux en carbone plus durs et à plus faible densité, comme les fibres de carbone, qui peuvent être fabriqués de manière durable en "cuisant" des hydrocarbures mous naturels en l'absence d'oxygène. Cependant, la température de "cuisson" optimale pour ces durcis, les matériaux carbonés de type charbon de bois sont restés un mystère depuis les années 1950, lorsque la scientifique britannique Rosalind Franklin, qui est peut-être mieux connu pour fournir des preuves critiques de la structure en double hélice de l'ADN, découvert comment les atomes de carbone dans le sucre, charbon, et hydrocarbures similaires, réagir à des températures proches de 3, 000 degrés Celsius (5, 432 degrés Fahrenheit) dans un traitement sans oxygène. La confusion quant à savoir si le désordre rend ces matériaux de type graphite plus solides, ou plus faible, empêché d'identifier la température idéale de "cuisson" pendant plus de 40 ans.

Moins, des atomes de carbone disposés de manière plus chaotique produisent des matériaux plus résistants, Les chercheurs du MIT rapportent dans la revue Carbone . Ils trouvent un lien tangible entre l'ordre aléatoire des atomes de carbone dans une résine phénol-formaldéhyde, qui a été "cuit" à haute température, et la résistance et la densité du matériau de carbone de type graphite résultant. La résine phénol-formaldéhyde est un hydrocarbure communément appelé « SU-8 » dans l'industrie électronique. En outre, en comparant les performances du matériau carbone "cuit", les chercheurs du MIT ont identifié une température de fabrication « sweet spot » : 1, 000 C (1, 832F).

"Ces matériaux avec lesquels nous travaillons, qui se trouvent couramment dans le SU-8 et d'autres hydrocarbures qui peuvent être durcis à l'aide de la lumière ultraviolette [UV], sont vraiment prometteurs pour la fabrication de réseaux de poutres et d'entretoises solides et légers à l'échelle nanométrique, ce qui n'est devenu possible que récemment grâce aux progrès de l'impression 3D, " dit le postdoctorant du MIT Itai Stein SM '13, Doctorat '16. "Mais jusqu'à maintenant, personne ne savait vraiment ce qui se passe lorsque vous modifiez la température de fabrication, C'est, comment la structure affecte les propriétés. Il y a eu beaucoup de travail sur la structure et beaucoup de travail sur les propriétés, mais il n'y avait aucun lien entre les deux. ... Nous espérons que notre étude contribuera à faire la lumière sur les mécanismes physiques régissant qui sont en jeu. "

Stein, qui est l'auteur principal de l'article publié dans Carbone , dirigé une équipe sous la direction du professeur d'aéronautique et d'astronautique Brian L. Wardle, composé de la junior du MIT Chlöe V. Sackier, anciens élèves Mackenzie E. Devoe '15 et Hanna M. Vincent '14, et les boursiers d'été de premier cycle Alexander J. Constable et Naomi Morales-Medina.

"Nos investigations sur ce matériau carboné en tant que matrice pour les nanocomposites n'ont cessé de soulever de nouvelles questions, rendant ce sujet de plus en plus intéressant en soi. À travers une série de contributions, notamment des chercheurs de premier cycle et des boursiers d'été du MIT, une enquête soutenue de plusieurs années en a résulté, permettant de résoudre certains résultats paradoxaux dans la littérature existante, " dit Wardle.

En "cuisant" la résine à haute température sous gaz inerte, un procédé communément appelé pyrolyse, les chercheurs ont formé un type de matériau carboné de type graphite désordonné qui est souvent appelé carbone vitreux. Stein et Wardle ont montré que lorsqu'il est traité à des températures supérieures à 1, 000 C, le matériau devient plus ordonné mais plus faible. Ils ont estimé la résistance de leur carbone vitreux en appliquant une force locale et en mesurant la capacité de leur matériau à résister à la déformation. Ce type de mesure, qui est connu des ingénieurs sous le nom de test de dureté Vickers, est une technique très polyvalente qui peut être utilisée pour étudier une grande variété de matériaux, comme les métaux, lunettes, et plastiques, et a permis aux chercheurs de comparer leurs découvertes à de nombreux matériaux d'ingénierie bien connus qui incluent le diamant, composites de fibre de carbone, et les carbures métalliques.

Les atomes de carbone dans le matériau des chercheurs du MIT étaient organisés de manière plus chaotique que ce qui est typique pour le graphite, et c'était parce que le phénol-formaldéhyde avec lequel ils ont commencé est un mélange compliqué de composés riches en carbone. "Parce que l'hydrocarbure était désordonné au départ, une grande partie du désordre reste dans vos cristallites, au moins à cette température, " explique Stein. En fait, la présence de composés carbonés plus complexes dans le matériau le renforce en conduisant à des connexions tridimensionnelles difficiles à rompre. "En gros, vous êtes épinglé à l'interface crystallite, et cela conduit à des performances améliorées, " il dit.

Ces matériaux cuits à haute température n'ont qu'un seul atome de carbone dans leur structure pour trois dans une structure en diamant. « Lorsque vous utilisez ces matériaux pour fabriquer des nano-réseaux, vous pouvez rendre le réseau global encore moins dense. De futures études devraient pouvoir montrer comment fabriquer des matériaux plus légers et moins chers, " suggère Stein. Des hydrocarbures similaires au phénol-formaldéhyde étudié ici peuvent également être sourcés d'une manière respectueuse de l'environnement, il dit.

"Jusqu'à présent, il n'y avait pas vraiment de consensus pour savoir si une faible densité était bonne ou mauvaise, et nous montrons dans ce travail, qu'avoir une faible densité est en fait une bonne chose, " dit Stein. C'est parce qu'une faible densité dans ces cristallites signifie plus de connexions moléculaires en trois dimensions, qui aide le matériau à résister au cisaillement, ou glissant à part. En raison de sa faible densité, ce matériau se compare avantageusement aux nitrures de diamant et de bore pour les utilisations aérospatiales. "Essentiellement, vous pouvez utiliser beaucoup plus de ce matériau tout en finissant par gagner du poids dans l'ensemble, " dit Stein.

"Cette étude représente une science des matériaux solide - reliant les trois facettes de la synthèse, structure, et la propriété - vers l'élucidation de lois d'échelle mal comprises pour les performances mécaniques du carbone pyrolytique, " dit Eric Meshot, un scientifique du Lawrence Livermore National Laboratory, qui n'a pas participé à cette recherche. « Il est remarquable qu'en utilisant des outils de caractérisation disponibles en routine, les chercheurs ont reconstitué les images structurelles moléculaires et nanométriques et ont déchiffré ce résultat contre-intuitif selon lequel plus de graphitisation n'équivaut pas nécessairement à un matériau plus dur. C'est un concept intrigant en soi qu'un petit désordre structurel peut améliorer la dureté."

"Leur caractérisation structurelle prouve comment et pourquoi ils atteignent une dureté élevée à des températures de synthèse relativement basses, " Meshot ajoute. " Cela pourrait avoir un impact sur les industries qui cherchent à augmenter la production de ces types de matériaux, car le chauffage est une étape très coûteuse. Il suggère. "Par exemple, en incorporant la résine SU-8 de départ dans, au, ou autour d'autres structures (comme les nanotubes comme le suggèrent les auteurs), peut-on synthétiser des matériaux encore plus durs ou plus résistants au cisaillement ? Ou des composites qui intègrent éventuellement des fonctionnalités supplémentaires, comme la détection ?", demande Meshot.

La nouvelle recherche est particulièrement pertinente maintenant car un groupe de chercheurs allemands a montré l'année dernière dans un article de Nature Materials comment ces matériaux peuvent former des nano-réseaux hautement structurés qui sont solides, poids léger, et ne sont surpassés que par le diamant. Ces chercheurs ont traité leur matériel à 900 C, Remarques de Stein. "Vous pouvez faire beaucoup plus d'optimisation, savoir quelle est la mise à l'échelle des propriétés mécaniques avec la structure, alors vous pouvez aller de l'avant et ajuster la structure en conséquence, et c'est là que nous pensons qu'il y a une large implication pour notre travail dans cette étude, " il dit.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.