Une céramique qui deviendrait plus électriquement conductrice sous contrainte élastique et moins conductrice sous contrainte plastique pourrait conduire à une nouvelle génération de capteurs intégrés dans des structures comme des bâtiments, des ponts et des avions capables de surveiller leur propre santé.

La disparité électrique favorisée par les deux types de souche n'était pas évidente jusqu'à ce que Rouzbeh Shahsavari de l'Université Rice, professeur assistant en génie civil et environnemental et en science des matériaux et nano-ingénierie, et ses collègues ont modélisé un nouveau composé bidimensionnel, graphène-nitrure de bore (GBN).

Sous contrainte élastique, la structure interne d'un matériau tendu comme un élastique ne change pas. Mais le même matériau sous contrainte plastique - provoquée dans ce cas en l'étirant suffisamment au-delà de l'élasticité pour se déformer - déforme son réseau cristallin. GBN, il s'avère, présente des propriétés électriques différentes dans chaque cas, ce qui en fait un candidat de choix en tant que capteur structurel.

Shahsavari avait déjà déterminé que le nitrure de bore hexagonal, autrement dit le graphène blanc, pouvait améliorer les propriétés de la céramique. Lui et ses collègues ont maintenant découvert que l'ajout de graphène les rend encore plus forts et plus polyvalents, ainsi que leurs propriétés électriques surprenantes.

La magie réside dans la capacité de deux dimensions, graphène à base de carbone et graphène blanc pour se lier de diverses manières, en fonction de leurs concentrations relatives. Bien que le graphène et le graphène blanc évitent naturellement l'eau, les faisant s'agglutiner, les nanofeuillets combinés se dispersent facilement dans une suspension pendant la fabrication de la céramique.

La céramique résultante, selon les modèles théoriques des auteurs, deviendraient des semi-conducteurs accordables avec une élasticité améliorée, résistance et ductilité.

Les recherches menées par Shahsavari et Asghar Habibnejad Korayem, professeur adjoint d'ingénierie structurelle à l'Université iranienne des sciences et de la technologie et chercheur à l'Université Monash à Melbourne, Australie, apparaît dans le journal de l'American Chemical Society Matériaux appliqués et interfaces .

Le graphène est une forme de carbone bien étudiée, connue pour son absence de bande interdite, la région où un électron doit sauter pour rendre un matériau conducteur. Sans bande interdite, le graphène est un conducteur métallique. Graphène blanc, avec sa large bande interdite, est un isolant. Donc, plus le rapport de graphène dans le composé 2-D est grand, plus le matériau sera conducteur.

Mélangé à la céramique à une concentration suffisamment élevée, le composé 2-D baptisé GBN formerait un réseau aussi conducteur que le permet la quantité de carbone dans la matrice. Cela donne au composite global une bande interdite réglable qui pourrait se prêter à une variété d'applications électriques.

« La fusion de matériaux 2D comme le graphène et le nitrure de bore dans les céramiques et les ciments permet de nouvelles compositions et propriétés que nous ne pouvons pas obtenir avec le graphène ou le nitrure de bore par eux-mêmes, " a déclaré Shahsavari.

L'équipe a utilisé des calculs de la théorie fonctionnelle de la densité pour modéliser les variations du composé 2D mélangé à de la tobermorite, un matériau de silicate de calcium hydraté couramment utilisé comme ciment pour le béton. Ils ont déterminé que les liaisons oxygène-bore formées dans la céramique la transformeraient en un semi-conducteur de type p.

La tobermorite en elle-même a une large bande interdite d'environ 4,5 électrons-volts, mais les chercheurs ont calculé que lorsqu'ils sont mélangés avec des nanofeuillets de GBN à parts égales de graphène et de graphène blanc, cet écart se réduirait à 0,624 électron-volt.

Lorsqu'il est tendu dans le régime élastique, la bande interdite de la céramique a baissé, rendre le matériau plus conducteur, mais lorsqu'il est étiré au-delà de l'élasticité, c'est-à-dire dans le régime plastique, il est devenu moins conducteur. Cet interrupteur, les chercheurs ont dit, en fait un matériau prometteur pour les applications d'auto-détection et de surveillance de la santé structurelle.

Les chercheurs ont suggéré d'autres feuilles 2-D avec du bisulfure de molybdène, le diséléniure de niobium ou les hydroxydes doubles en couches peuvent offrir des opportunités similaires pour la conception ascendante de l'accord, composites multifonctionnels. « Cela fournirait une plate-forme fondamentale pour le ciment et le renforcement du béton à leur plus petite dimension possible, " a déclaré Shahsavari.