Un nouveau poids plume, Il a été démontré que le "métamatériau" ignifuge et super-élastique combine une résistance élevée avec une conductivité électrique et une isolation thermique, suggérant des applications potentielles des bâtiments à l'aérospatiale.

Le composite combine des nanocouches d'une céramique appelée oxyde d'aluminium avec du graphène, qui est une feuille de carbone extrêmement mince. Bien que la céramique et le graphène soient cassants, le nouveau métamatériau a une microstructure en nid d'abeille qui offre une super élasticité et une robustesse structurelle. Les métamatériaux sont conçus avec des fonctionnalités, motifs ou éléments à l'échelle du nanomètre, ou des milliardièmes de mètre, fournissant de nouvelles propriétés pour diverses applications potentielles.

Le graphène se dégraderait normalement lorsqu'il est exposé à une température élevée, mais la céramique confère une tolérance à la chaleur et une résistance aux flammes élevées, propriétés qui pourraient être utiles comme bouclier thermique pour les avions. Le poids léger, les propriétés de haute résistance et d'absorption des chocs pourraient faire du composite un bon matériau de substrat pour les dispositifs électroniques flexibles et les "grands capteurs de contrainte". Parce qu'il a une conductivité électrique élevée et pourtant est un excellent isolant thermique, il peut être utilisé comme retardateur de flamme, revêtement thermiquement isolant, ainsi que des capteurs et des appareils qui convertissent la chaleur en électricité, dit Gary Cheng, professeur agrégé à l'École de génie industriel de l'Université Purdue.

"Cette matière est plus légère qu'une plume, " dit-il. " La densité est vraiment faible. Il a un rapport résistance/poids très élevé."

Les résultats ont été détaillés dans un document de recherche publié le 29 mai dans la revue Matériaux avancés . Le papier était une collaboration entre Purdue, Université de Lanzhou et Institut de technologie de Harbin, à la fois en Chine, et le laboratoire de recherche de l'US Air Force. Un point culminant de la recherche sur le travail est paru dans la revue Matériaux de recherche sur la nature .

« Les propriétés exceptionnelles des composants à base de céramique d'aujourd'hui ont été utilisées pour permettre de nombreuses applications multifonctionnelles, y compris les peaux de protection thermique, capteurs intelligents, revêtements absorbant les ondes électromagnétiques et anticorrosion, " dit Cheng.

Cependant, les matériaux à base de céramique présentent plusieurs goulets d'étranglement fondamentaux qui empêchent leur utilisation omniprésente en tant qu'éléments fonctionnels ou structurels.

"Ici, nous rapportons un métamatériau multifonctionnel céramique-graphène avec une super-élasticité dérivée de la microstructure et une robustesse structurelle, " a déclaré Cheng. " Nous y sommes parvenus en concevant une microstructure hiérarchique en nid d'abeille assemblée avec des parois cellulaires multi-nanocouches servant d'unités élastiques de base. Ce métamatériau démontre simultanément une séquence de propriétés multifonctionnelles qui n'ont pas été rapportées pour les céramiques et les structures céramiques-matrice-composite."

Le matériau composite est constitué de cellules interconnectées de graphène prises en sandwich entre des couches de céramique. L'échafaudage en graphène, appelé aérogel, est chimiquement lié à des couches de céramique à l'aide d'un processus appelé dépôt de couche atomique.

"Nous contrôlons soigneusement la géométrie de cet aérogel de graphène, " dit-il. " Et puis on dépose des couches très fines de la céramique. La propriété mécanique de cet aérogel est multifonctionnelle, ce qui est très important. Ce travail a le potentiel de faire du graphène un matériau plus fonctionnel."

Le processus pourrait être étendu à la fabrication industrielle, il a dit.

Les travaux futurs comprendront des recherches pour améliorer les propriétés du matériau, éventuellement en modifiant sa structure cristalline, étendre le processus de fabrication et contrôler la microstructure pour ajuster les propriétés du matériau.