Illustration d'un coude dans le graphène bicouche. Crédits :Blanka Janicek, Laboratoire Pinshane Huang
De nouvelles recherches menées par des ingénieurs de l'Université de l'Illinois combinent l'expérimentation à l'échelle atomique avec la modélisation informatique pour déterminer la quantité d'énergie nécessaire pour plier le graphène multicouche, une question qui a échappé aux scientifiques depuis que le graphène a été isolé pour la première fois. Les résultats sont rapportés dans le journal Matériaux naturels .
Le graphène, une seule couche d'atomes de carbone disposés en réseau, est le matériau le plus résistant au monde et si fin qu'il est flexible, les chercheurs ont dit. Il est considéré comme l'un des ingrédients clés des technologies futures.
La plupart des recherches actuelles sur le graphène visent le développement de dispositifs électroniques à l'échelle nanométrique. Encore, les chercheurs disent que de nombreuses technologies, de l'électronique extensible aux minuscules robots si petits qu'ils ne peuvent pas être vus à l'œil nu, nécessitent une compréhension de la mécanique du graphène, en particulier comment il fléchit et se plie, pour libérer leur potentiel.
"La rigidité en flexion d'un matériau est l'une de ses propriétés mécaniques les plus fondamentales, " dit Edmond Han, un étudiant diplômé en science et génie des matériaux et co-auteur de l'étude. "Même si nous étudions le graphène depuis deux décennies, nous devons encore résoudre cette propriété très fondamentale. La raison en est que différents groupes de recherche ont trouvé des réponses différentes qui s'étendent sur plusieurs ordres de grandeur. »
L'équipe a découvert pourquoi les efforts de recherche précédents étaient en désaccord. "Ils pliaient un peu le matériau ou le pliaient beaucoup, " dit Jaehyung Yu, un étudiant diplômé en sciences mécaniques et en génie et co-auteur de l'étude. "Mais nous avons constaté que le graphène se comporte différemment dans ces deux situations. Lorsque vous pliez un peu le graphène multicouche, il agit plutôt comme une plaque rigide ou un morceau de bois. Quand tu le plies beaucoup, il agit comme une pile de papiers où les couches atomiques peuvent glisser les unes sur les autres."
"Ce qui est passionnant dans ce travail, c'est qu'il montre que même si tout le monde n'était pas d'accord, ils avaient tous raison, " a déclaré Arend van der Zande, professeur de sciences mécaniques et d'ingénierie et co-auteur de l'étude. "Chaque groupe mesurait quelque chose de différent. Ce que nous avons découvert est un modèle pour expliquer tous les désaccords en montrant comment ils sont tous liés entre eux à travers différents degrés de flexion."
Pour faire le graphène courbé, Yu a fabriqué des couches atomiques individuelles de nitrure de bore hexagonal, un autre matériau 2D, en étapes à l'échelle atomique, puis tamponné le graphène sur le dessus. À l'aide d'un faisceau d'ions focalisé, Han a coupé une tranche de matériau et a imagé la structure atomique avec un microscope électronique pour voir où se trouvait chaque couche de graphène.
L'équipe a ensuite développé un ensemble d'équations et de simulations pour calculer la rigidité en flexion en utilisant la forme de la courbure du graphène.
Étudiant diplômé Edmund Han, la gauche, professeur Elif Ertekin, étudiant diplômé Jaehyung Yu, professeur Pinshane Y. Huang, de face, et le professeur Arend M. van der Zande ont déterminé la quantité d'énergie nécessaire pour plier le graphène multicouche - une question qui a longtemps échappé aux scientifiques. Crédit :Stéphanie Adams
En drapant plusieurs couches de graphène sur une étape de seulement un à cinq atomes de haut, les chercheurs ont créé un moyen contrôlé et précis de mesurer la façon dont le matériau se plierait sur la marche dans différentes configurations.
« Dans cette structure simple, il y a deux types de forces impliquées dans la flexion du graphène, " a déclaré Pinshane Huang, professeur de science et d'ingénierie des matériaux et co-auteur de l'étude. "Adhésion, ou l'attraction d'atomes à la surface, essaie de tirer le matériau vers le bas. Plus le matériau est rigide, plus il essaiera de réapparaître, résister à l'attraction de l'adhérence. La forme que prend le graphène au cours des étapes atomiques code toutes les informations sur la rigidité du matériau."
L'étude a systématiquement contrôlé exactement à quel point le matériau s'est plié et comment les propriétés du graphène ont changé.
"Parce que nous avons étudié le graphène courbé par des quantités différentes, nous avons pu assister au passage d'un régime à un autre, du rigide au souple et du comportement de la plaque à la feuille, " a déclaré Elif Ertekin, professeur de sciences mécaniques et d'ingénierie, qui a dirigé la partie modélisation informatique de la recherche. "Nous avons construit des modèles à l'échelle atomique pour montrer que la raison pour laquelle cela pourrait arriver est que les couches individuelles peuvent glisser les unes sur les autres. Une fois que nous avons eu cette idée, nous avons pu utiliser le microscope électronique pour confirmer le glissement entre les couches individuelles."
Les nouveaux résultats ont des implications pour la création de machines suffisamment petites et flexibles pour interagir avec des cellules ou du matériel biologique, les chercheurs ont dit.
« Les cellules peuvent changer de forme et réagir à leur environnement, et si l'on veut s'orienter vers des microrobots ou des systèmes qui ont les capacités des systèmes biologiques, nous avons besoin d'avoir des systèmes électroniques qui peuvent changer de forme et être aussi très doux, " a déclaré van der Zande. " En profitant du glissement intercalaire, nous avons montré que le graphène peut être des ordres de grandeur plus doux que les matériaux conventionnels de la même épaisseur."
