Les matériaux les plus minces qui peuvent être produits aujourd'hui ont l'épaisseur d'un seul atome. Ces matériaux – appelés matériaux bidimensionnels – présentent des propriétés très différentes de celles de leurs homologues tridimensionnels en vrac. Jusque récemment, Des matériaux 2-D ont été produits et manipulés sous forme de films sur la surface d'un substrat 3-D approprié. Travaillant en collaboration avec une équipe du Leibniz Institute for New Materials, un groupe de physiciens de l'Université de la Sarre, dirigé par le professeur Uwe Hartmann, a pour la première fois réussi à caractériser les propriétés mécaniques de membranes autoportantes à un seul atome de graphène. Les mesures ont été effectuées en utilisant la microscopie à effet tunnel (STM). Les chercheurs ont publié leurs résultats dans la revue spécialisée Nanoéchelle .

Les matériaux bidimensionnels ne sont connus que depuis quelques années. En 2010, les scientifiques André Geim et Konstantin Novoselov ont reçu le prix Nobel de physique pour leurs travaux de recherche sur le matériau graphène - un allotrope bidimensionnel de carbone pur. Suite à cette découverte, un certain nombre d'autres matériaux 2D à base de silicium ou de germanium ont été produits et caractérisés. "La particularité de ces matériaux est qu'ils n'ont qu'un atome d'épaisseur - ils sont pratiquement tous superficiels, " explique le professeur Uwe Hartmann, un physicien expérimental à l'Université de la Sarre. En conséquence, ils possèdent des propriétés physiques totalement différentes de leurs parents tridimensionnels plus conventionnels.

"Les propriétés électroniques de certaines configurations de graphène sont spectaculaires. Les électrons à l'intérieur du matériau sont relativistes, c'est-à-dire qu'ils obéissent aux lois de la théorie de la relativité, ce qui n'est certainement pas le cas des électrons dans les matériaux conventionnels. Ceci suggère un certain nombre d'avantages intéressants pour les composants électroniques fabriqués à partir de matériaux bidimensionnels, " dit Hartmann. Les propriétés mécaniques de ces matériaux 2D sont également uniques. Selon Hartmann :" Certaines configurations de ces matériaux bidimensionnels présentent un degré de stabilité mécanique qui est - par rapport à l'épaisseur du matériau - bien supérieur à celle observée dans les matériaux tridimensionnels les plus stables." Afin d'exploiter ce potentiel, l'UE a créé son projet phare sur le graphène en 2013. Avec un budget de recherche de 1 milliard d'euros, il s'agit à ce jour de la plus grande initiative de recherche de l'UE.

Cependant, les informations sur les propriétés mécaniques de ces nouveaux matériaux ont jusqu'à présent été dérivées de simulations. "Jusqu'à maintenant, travailler avec des matériaux bidimensionnels signifie travailler avec des films ultrafins à la surface d'un substrat tridimensionnel approprié. Par conséquent, les propriétés du système global sont inévitablement déterminées par le matériau tridimensionnel, " explique Hartmann. Travaillant en collaboration avec le Leibniz Institute for New Materials (INM), qui est également situé sur le campus de Sarrebruck, L'équipe de recherche de Hartmann au Département de recherche sur la nanostructure et la nanotechnologie a réussi pour la première fois à mesurer directement les propriétés mécaniques d'un membrane à couche unique du graphène allotrope de carbone.

« Nous sommes maintenant en mesure de comparer directement les données des calculs du modèle avec nos résultats expérimentaux. De plus, nous pouvons maintenant mesurer comment différents défauts du réseau cristallin de la membrane affectent ses propriétés mécaniques, " explique le professeur Hartmann. Ces matériaux bidimensionnels sont très prometteurs pour des développements innovants dans une variété de secteurs technologiques allant des capteurs et actionneurs aux systèmes de filtrage et aux piles à combustible. Les résultats et les méthodes développés par l'équipe de Sarrebruck sont donc d'un intérêt majeur dans de nombreux domaines de recherche.

Les scientifiques de Sarrebruck ont ​​utilisé une monocouche de graphène qui était supportée sur un substrat avec un réseau régulier de trous circulaires. Hartmann explique la configuration comme suit :« Les trous avaient un diamètre d'environ un micromètre. À l'aide d'un microscope à effet tunnel (STM), nous avons pu analyser la membrane autoportante au-dessus des trous avec une précision atomique.

"Lorsqu'une tension électrique est appliquée entre la pointe du STM et la membrane de graphène à un seul atome d'épaisseur, un courant électrique circule, " explique Hartmann. Ce courant, connu sous le nom de "courant tunnel", est très sensible à la distance entre la pointe du microscope et l'échantillon membranaire et à la distribution des électrons dans le film de graphène. "Nous utilisons cet effet pour rendre les atomes individuels visibles. Le courant tunnel varie pendant que la pointe STM est balayée sur le matériau." Mais les chercheurs utilisent également un autre effet. Lorsqu'une tension est appliquée entre la pointe du STM et l'échantillon, une force agit sur la membrane de graphène autonome et elle commence à se gonfler vers la pointe. "Comme le pourboire est retiré, la monocouche atomiquement mince se gonfle encore plus, car il est effectivement soulevé par des pincettes atomiquement précises. La mesure de la déflexion de la membrane en fonction de la force de traction électrostatique générée par le STM donne un diagramme contrainte-déformation qui nous fournit les propriétés mécaniques clés de la membrane en graphène, " explique Hartmann.

"En enregistrant ces diagrammes expérimentaux contrainte-déformation, nous avons pu vérifier directement les propriétés mécaniques extraordinaires qui étaient présumées jusqu'à présent pour ces matériaux. Et nous avons pu le faire en utilisant des forces de l'ordre d'un milliardième de Newton - loin, bien plus petit que toute force utilisée dans une mesure mécanique conventionnelle, " dit Hartmann. Les chercheurs ont également pu montrer que lorsqu'une force était appliquée à une membrane autonome de graphène, la membrane ne se comportait pas comme la peau lisse d'une timbale mais ressemblait beaucoup plus à la surface ondulée d'un lac. Les membranes présentent une gamme de mouvements ondulatoires et elles répondent à toute perturbation externe en générant de nouvelles ondulations à la surface de la membrane."