Vous voulez fabriquer un matériau super résistant à partir de blocs de construction à l'échelle nanométrique ? Commencez avec les blocs de construction de la plus haute qualité, droit?

Faux, du moins lorsque l'on travaille avec des "flocons" d'oxyde de graphène (GO).

Une nouvelle étude menée par des chercheurs de la Northwestern University montre qu'un meilleur "papier" GO peut être fabriqué en mélangeant des flocons GO solides avec faible, flocons GO poreux. La découverte contribuera à la production de matériaux GO de meilleure qualité, et il met en lumière un problème général en ingénierie des matériaux :comment construire un matériau à l'échelle nanométrique en un matériau macroscopique sans perdre ses propriétés souhaitables.

"Pour le dire en termes humains, la collaboration est très importante, " a déclaré Jiaxing Huang, Northwestern Engineering professeur de science et d'ingénierie des matériaux, qui a dirigé l'étude. "D'excellents joueurs peuvent toujours faire une mauvaise équipe s'ils ne travaillent pas bien ensemble. Ici, nous ajoutons des joueurs apparemment plus faibles et ils renforcent toute l'équipe."

La recherche était une collaboration à quatre. En plus de Huang, trois autres groupes ont participé, dirigé par Horacio Espinosa, professeur de génie mécanique à la McCormick School of Engineering; Son Binh Nguyen, professeur de chimie à Northwestern; et Tae Hee Han, un ancien chercheur postdoctoral à l'Université qui est maintenant professeur d'ingénierie organique et nano à l'Université de Hanyang, Corée du Sud.

L'étude a été publiée aujourd'hui dans Communication Nature .

Papier de haute technologie

GO est un dérivé du graphite qui peut être utilisé pour faire le bidimensionnel, super matériau graphène. Puisque GO est plus facile à faire, les scientifiques l'étudient comme matériau modèle. Il se présente généralement sous la forme d'une dispersion de minuscules flocons dans l'eau. D'un bout à l'autre, chaque flocon est plus petit que la largeur d'un cheveu humain et seulement un nanomètre d'épaisseur.

Lorsqu'une solution de flocons GO est versée sur un filtre et l'eau éliminée, un "papier" fin est formé, généralement quelques pouces de diamètre avec une épaisseur inférieure ou égale à 40 micromètres. Les forces intermoléculaires maintiennent les flocons ensemble, rien de plus.

La force de la faiblesse

Les scientifiques peuvent créer un GO solide en une seule couche, mais la superposition des flocons sous forme de papier ne fonctionne pas très bien. En testant l'effet des trous sur la résistance des flocons GO, Huang et ses collaborateurs ont découvert une solution.

En utilisant un mélange d'ammoniac et de peroxyde d'hydrogène, les chercheurs ont "gravé" chimiquement des trous dans les flocons GO. Les flocons laissés à tremper pendant une à trois heures étaient considérablement plus faibles que les flocons non gravés. Après cinq heures de trempage, les flocons sont devenus si faibles qu'ils ne pouvaient pas être mesurés.

Puis, l'équipe a trouvé quelque chose de surprenant :le papier fabriqué à partir des flocons affaiblis était plus résistant que prévu. Au niveau monocouche, paillettes poreuses gravées une heure, par exemple, étaient 70 pour cent plus faibles que les flocons solides, mais le papier fabriqué à partir de ces flocons n'était que 10 pour cent plus faible que le papier fabriqué à partir de flocons solides.

Les choses sont devenues encore plus intéressantes lorsque l'équipe a mélangé des flocons solides et poreux, dit Huang. Au lieu d'affaiblir le papier fait uniquement de flocons solides, l'ajout de 10 ou 25 pour cent des flocons les plus faibles l'a renforcé d'environ 95 et 70 pour cent, respectivement.

Connexion efficace

Si les feuilles GO peuvent être assimilées à du papier aluminium, Huang a dit, faire un papier GO, c'est comme empiler le papier d'aluminium pour faire une plaque d'aluminium épaisse. Si vous commencez avec de grandes feuilles de papier d'aluminium, il y a de bonnes chances que beaucoup se froissent, empêchant l'emballage serré entre les feuilles. D'autre part, les feuilles plus petites ne se froissent pas aussi facilement. Ils s'assemblent bien mais créent des piles serrées qui ne s'intègrent pas bien avec d'autres piles serrées, créant des vides dans le papier GO où il peut facilement se casser.

"De faibles flocons se déforment pour combler ces vides, qui améliore la répartition des forces dans tout le matériau, " a déclaré Huang. "C'est un rappel que la force des unités individuelles n'est qu'une partie de l'équation; une connexion efficace et une répartition du stress sont tout aussi importantes."

Ce constat sera directement applicable à d'autres matériaux bidimensionnels, comme le graphène, Huang a dit, et conduira également à la conception de produits GO de meilleure qualité. Il espère le tester ensuite sur les fibres GO.