a) Les éléments pliés en matériaux auxétiques se redressent, augmentant sa dimension transversale sous étirement. b) Produits en toutes matières, plié selon les règles du miura-ori :un système de pliage, qui permet de redresser la construction en un seul mouvement, possèdent également des propriétés auxétiques. c) La semelle des baskets constituée de triangles superposés se comporte comme un auxétique sous pression. Crédit :Auteurs des articles
Un groupe de scientifiques, dont des spécialistes de l'Institut de physique théorique de Landau (ITF), a décrit une caractéristique universelle dans laquelle de nombreuses propriétés uniques du graphène sont « cachées ». Le comportement anormal du graphène peut être entièrement caractérisé par le coefficient de Poisson, qui détermine la capacité d'un matériau à se contracter ou à s'étendre dans une dimension transversale. De plus, les scientifiques ont trouvé des facteurs clés qui peuvent influencer cette caractéristique. Les résultats sont publiés dans Examen physique B .
Le graphène est une feuille bidimensionnelle constituée d'une couche d'atomes de carbone. L'une des choses les plus intéressantes à propos du graphène est la relation entre ses propriétés élastiques et électriques uniques. Par exemple, le graphène montre une mobilité extrêmement élevée des charges électriques, qui peut changer radicalement sous contrainte élastique. Les physiciens ont essayé de trouver une caractéristique physique universelle reflétant pleinement ce comportement inhabituel. Cela permettrait d'utiliser plus efficacement le graphène, ainsi que de créer de nouveaux matériaux avec les propriétés exotiques requises. Cependant, jusqu'à récemment, les chercheurs ne pouvaient pas trouver un tel paramètre.
La clé pour comprendre cette question résidait dans le comportement inhabituel du graphène sous étirement. Les matériaux les plus courants se rétractent dans le sens transversal lors de l'étirement :un élastique en est un exemple typique. Cependant, il y a une centaine d'années, le physicien allemand Voldemar Voight a découvert que les cristaux de pyrite, au contraire, étendre sous étirement. De tels matériaux étaient appelés auxétiques, et à la fin des années 1970, les scientifiques ont obtenu le premier auxétique artificiel. Le secret de tels matériaux vient de leur géométrie inhabituelle. Bien que dans un état détendu, les éléments structuraux auxétiques soient pliés, lorsque l'étirement est appliqué, ils se déplient et grossissent.
Auxetics a un certain nombre de fonctionnalités inhabituelles qui aideront à améliorer les technologies existantes et à en créer de nouvelles. "Les matériaux conventionnels se dilatent lorsqu'ils sont chauffés et cela altère leurs propriétés d'origine par diverses contraintes et perturbations mécaniques. Les auxétiques peuvent, au contraire, rétrécir. Il y a donc une idée pour créer des matériaux combinés avec un taux d'expansion nul en utilisant des auxétiques. Au fur et à mesure que la température augmente, le composé conventionnel de tels matériaux aura tendance à se dilater, mais le composé auxétique compensera cela, " commente Valentin Kachorovskii, un chercheur de premier plan à l'Institut Ioffe et à l'ITF.
La caractéristique déterminant la capacité du matériau à rétrécir ou à s'étendre dans la dimension transversale sous tension est appelée le coefficient de Poisson. En auxétique, il est négatif, dans les matériaux ordinaires—positif. "Les scientifiques se sont longtemps intéressés au ratio de Poisson du graphène, " dit Kachorovskii. " Pendant longtemps, nous avons pensé qu'il était égal à la valeur négative universelle -?. Cependant, un certain nombre de calculs numériques récents ont montré que le rapport de Poisson du graphène pouvait être à la fois positif et négatif. A première vue, les résultats de divers calculs se contredisent complètement."
La vérification expérimentale directe de ce paramètre est difficile. Le graphène est difficile à obtenir isolément :il est généralement « cultivé » sur divers substrats, et leurs caractéristiques masquent la vraie valeur du coefficient de Poisson du graphène. De plus, les échantillons de graphène isolé sont si petits qu'il est pratiquement impossible de fixer des supports pour un étirement contrôlé. À la fois, les chercheurs et ingénieurs qui développent de nouvelles technologies à base de carbone doivent savoir exactement si le graphène est auxétique ou non.
Les auteurs du nouveau travail ont réussi à « réconcilier » les résultats contradictoires des calculs précédents et à trouver des paramètres qui déterminent exactement le coefficient de Poisson du graphène. Les physiciens ont découvert qu'il s'agit d'une valeur variable en fonction de la force de traction appliquée. "Avec une très grande force, le graphène se comporte comme un matériau normal, démontrant un coefficient de Poisson positif. Cependant, lorsque la force appliquée diminue, on se trouve dans une zone où le graphène présente des propriétés typiquement auxétiques, " note Kachorovskii.
Les scientifiques ont expliqué ce lien inhabituel entre le rapport de Poisson et l'étirement. Sur les images populaires, le graphène est représenté sous la forme d'une feuille bidimensionnelle d'atomes de carbone, généralement plat. Cependant, en réalité, ce qu'on appelle des ondes de flexion courent le long de cette "feuille". Ils ont tendance à transformer le graphène d'un état plat à un état froissé. "C'est ce qu'on appelle une transition de froissement, " explique Kachorovskii. " Pendant longtemps, la théorie des membranes a prédit qu'en raison de ce phénomène, des cristaux bidimensionnels tels que le graphène ne pouvaient pas exister en principe. Ils s'efforceraient toujours de se réduire en boule. Comme on le voit, cette hypothèse était une erreur car le long de la surface du graphène, des ondes de compression-extension ordinaires courent avec celles de flexion. L'interaction non linéaire entre deux types d'ondes ne permet pas à la membrane de se contracter en boule. Bien que, la dimension de tels cristaux n'est en fait pas égale à deux. En raison de la transition de froissement, il est dans un état intermédiaire entre deux et trois dimensions."
La membrane s'efforçant de se courber en raison des ondes de compression-extension ordinaires est en concurrence avec l'effet de lissage des ondes transversales dues à une force externe appliquée. Il en résulte un changement de signe du coefficient de Poisson. En d'autres termes, si la force extérieure est élevée, les propriétés auxétiques anormales sont supprimées et le coefficient de Poisson est positif. Comme l'ont montré les scientifiques, les propriétés inhabituelles du graphène sont basées sur cet état de repos légèrement froissé. "Dans les plis des ondes de flexion transversales, de l'énergie supplémentaire est stockée, ce qui explique l'élasticité anormale du graphène et d'autres propriétés inhabituelles. Par exemple, lorsque le graphène chauffé commence à rétrécir dans le sens longitudinal, puisque toute l'extension va aux plis transversaux, " dit Kachorovskii. " Et la caractéristique universelle qui détermine exactement le comportement du graphène est le rapport de Poisson. Avec son aide, vous pouvez décrire et prédire un grand nombre de propriétés du graphène et d'autres matériaux."
De plus, le travail actuel contient une explication pour laquelle les études précédentes du coefficient de Poisson du graphène ont eu des résultats contradictoires. "Nous avons dérivé un système d'équations analytiquement complet pour l'équilibre élastique de la feuille de graphène. Il s'avère qu'il existe deux modes de comportement pour la membrane de graphène. Dans l'habituel, toutes les propriétés du graphène sont déterminées par des formules standard et le coefficient de Poisson est positif. À la fois, pour les échantillons plus grands que la longueur dite de Ginzburg, un régime d'élasticité anormal est réalisé, conduisant à un coefficient de Poisson négatif, " ajoute Kachorovskii. Pour le graphène, La longueur de Ginzburg varie de 40 à 70 angströms. La taille des échantillons utilisés en pratique est certainement plus importante, il est donc possible de voir le comportement auxétique le plus inhabituel.
L'explication de ce phénomène est également liée à des ondes de différents types, qui interagissent les uns avec les autres de manière très compliquée. "La longueur de Ginzburg caractérise l'échelle à laquelle ces interactions ne peuvent plus être négligées car elles commencent à déplacer anormalement le matériau. Par exemple, une telle interaction à grande échelle ne permet pas aux cristaux bidimensionnels de se contracter en boule, " explique Kachorovskii. Différentes substances ont des longueurs de Ginzburg différentes et les connaître est extrêmement important pour le développement de nouveaux matériaux. " Souvent, les gens créent de nouveaux matériaux sans calculer la longueur de Ginzburg, puis ils essaient de trouver quelque chose d'inhabituel dans leurs propriétés. Mais notre travail montre que si la longueur de Ginzburg atteint 1 kilomètre, par exemple, les échantillons de taille normale ne montreront aucune propriété spéciale, " note Kachorovskii.
Le fait que le graphène puisse s'étirer normalement ou anormalement selon la force appliquée en perspective va permettre de créer des capteurs sonores hypersensibles, par exemple. "Les ondes sonores étirent la membrane de graphène, et en fonction du degré d'étirement, le graphène modifie sensiblement la résistance électrique. Les calculs montrent que la sensibilité d'un tel détecteur peut être gigantesque. En outre, dans les auxétiques, la vitesse du son est sensiblement plus élevée que dans les matériaux "normaux". La valeur des autres constantes élastiques, par exemple, le module de Young reste le même. Par conséquent, lorsque le graphène devient étiré à l'état d'auxétique, le son qu'il contient se propage très rapidement. Cela nous permet de créer des capteurs ultra-rapides capables de détecter un changement très rapide d'oscillations, " dit Kachorovskii.
