Les graphènes tridimensionnels désordonnés sont des matériaux carbonés présents dans les batteries, filtres à eau, masques à gaz, céramiques haute température, capteurs électrochimiques et isolation. Ils ont aussi des usages plus spécialisés, tels que la protection du vaisseau spatial de la sonde solaire Parker contre la combustion lors de son approche du soleil.

Rosalinde Franklin, le scientifique qui déduira plus tard la géométrie hélicoïdale de l'ADN, a découvert cette classe de matériaux pour la première fois en 1951. La plupart des matériaux contenant du carbone développent de petites régions en couches de graphène lorsqu'ils sont chauffés. Lors d'un nouveau chauffage, à des milliers de degrés, elle a trouvé (à sa grande surprise) une réticence totale des carbones à se convertir à la forme la plus stable de graphite de carbone, le rendant suprêmement métastable.

Les explications de cette réticence à graphitiser se sont concentrées sur les liaisons croisées au sein de la structure, structures en forme de ruban noué ou déformation des feuilles dans des géométries en forme de bol ou de selle. Cependant, les expériences n'ont pas pu résoudre et combiner ces suggestions dans un modèle cohérent de la nanostructure.

Des chercheurs de l'Université Curtin, L'Australie et l'Université de Cambridge ont maintenant publié une solution possible au problème de Franklin en Lettres d'examen physique . Ils se sont tournés vers des simulations à grande échelle utilisant le supercalculateur australien Pawsey pour auto-assembler les réseaux les plus grands et les plus précis de graphènes 3D désordonnés à ce jour.

Ils ont développé une nouvelle mesure de la courbure globale des réseaux et ont constaté que pour toutes les densités, des feuilles de graphène en excès en forme de selle sont présentes. Ces formes de selle sont causées par l'intégration d'anneaux à 7 ou 8 chaînons dans le réseau de graphène hexagonal. Ce gauchissement lui permet de se connecter en 3D et les chercheurs suggèrent que c'est la cause de la résistance du matériau à se convertir en graphite.

Qu'en est-il des petites régions de graphène en couches de Franklin ? Les chercheurs ont découvert qu'en augmentant la densité du matériau, les feuilles de graphène se sont enroulées comme un escalier en colimaçon. Ce défaut de vis ou d'hélice est bien connu dans le graphite mais n'a pas été suggéré dans ces matériaux désordonnés. Une variété d'autres défauts ont été découverts, qui résolvent de nombreux problèmes du réseau de graphène étant à la fois incurvé et en couches.

Ces résultats ouvrent des perspectives de compréhension et d'ingénierie des matériaux carbonés pour des applications dans les supercondensateurs, applications de fibres de carbone et de céramiques à haute température. Cependant, des travaux supplémentaires sont nécessaires pour confirmer expérimentalement certains aspects du modèle.

En termes de nouvelles applications, les chercheurs suggèrent que les matériaux carbonés pourraient être réglés et optimisés topologiquement pour un produit donné. Par exemple, et d'une importance industrielle particulière pour la fabrication de batteries et d'électrodes, les carbones désordonnés pourraient être transformés en graphite (au lieu de dépendre de pratiques minières non durables).

Il existe un lien agréable avec les travaux ultérieurs de Franklin sur l'ADN en ce sens que la solution à son problème antérieur de non graphitisation des matériaux carbonés pourrait également résider dans la topologie et la célèbre structure en hélice.