Teng Cui tient une puce de silicium avec un demi-million de minuscules trous intégrés. En étirant le graphène à travers les trous, Cui a pu mesurer sa résistance à la fatigue mécanique. Crédit :Daria Perevezentsev/Université de génie de Toronto
Le graphène est un paradoxe. C'est le matériau le plus fin connu de la science, mais aussi l'un des plus forts. Maintenant, des recherches de l'Université de Toronto Engineering montrent que le graphène est également très résistant à la fatigue, capable de supporter plus d'un milliard de cycles de contraintes élevées avant de se rompre.
Le graphène ressemble à une feuille d'anneaux hexagonaux imbriqués, similaire au motif que vous pourriez voir dans les carreaux de sol de salle de bain. À chaque coin se trouve un seul atome de carbone lié à ses trois voisins les plus proches. Bien que la feuille puisse s'étendre latéralement sur n'importe quelle zone, il n'a qu'un atome d'épaisseur.
La force intrinsèque du graphène a été mesurée à plus de 100 gigapascals, parmi les valeurs les plus élevées enregistrées pour tous les matériaux. Mais les matériaux ne tombent pas toujours en panne parce que la charge dépasse leur résistance maximale. Des contraintes faibles mais répétitives peuvent fragiliser les matériaux en provoquant des dislocations microscopiques et des fractures qui s'accumulent lentement avec le temps, un processus connu sous le nom de fatigue.
"Pour comprendre la fatigue, imaginez plier une cuillère en métal, " dit le professeur Tobin Filleter, l'un des auteurs principaux de l'étude, qui a été récemment publié dans Matériaux naturels . "La première fois que tu le plies, ça se déforme juste. Mais si vous continuez à travailler d'avant en arrière, il finira par se briser en deux."
L'équipe de recherche, composée de Filleter, les autres professeurs de génie de l'Université de Toronto Chandra Veer Singh et Yu Sun, leurs élèves, et des collaborateurs de l'Université Rice - voulaient savoir comment le graphène résisterait à des stress répétés. Leur approche comprenait à la fois des expériences physiques et des simulations informatiques.
"Dans nos simulations atomistiques, nous avons constaté que le chargement cyclique peut conduire à des reconfigurations irréversibles des liaisons dans le réseau de graphène, provoquant une défaillance catastrophique lors du chargement ultérieur, " dit Singh, qui, avec la boursière postdoctorale Sankha Mukherjee, a dirigé la partie modélisation de l'étude. "C'est un comportement inhabituel en ce sens que pendant que les obligations changent, il n'y a pas de fissures ou de luxations évidentes, qui se forme habituellement dans les métaux, jusqu'au moment de l'échec."
doctorat candidat Teng Cui, qui est co-encadré par Filleter et Sun, utilisé le Centre de nanofabrication de Toronto pour construire un dispositif physique pour les expériences. La conception consistait en une puce de silicium gravée d'un demi-million de minuscules trous de seulement quelques micromètres de diamètre. La feuille de graphène a été tendue sur ces trous, comme la tête d'un petit tambour.
A l'aide d'un microscope à force atomique, Cui a ensuite abaissé une sonde à pointe de diamant dans le trou pour pousser sur la feuille de graphène, appliquer n'importe où de 20 à 85 pour cent de la force qu'il savait briserait le matériau.
Des chercheurs en génie de l'Université de Toronto ont utilisé un microscope à force atomique (photo) pour mesurer la capacité du graphène à résister à la fatigue mécanique. Ils ont découvert que le matériau peut résister à plus d'un milliard de cycles de contraintes élevées avant de se rompre. Crédit :Daria Perevezentsev/Université de génie de Toronto
"Nous avons couru les cycles à un rythme de 100, 000 fois par seconde, " dit Cui. " Même à 70 pour cent du stress maximum, le graphène ne s'est pas cassé pendant plus de trois heures, ce qui équivaut à plus d'un milliard de cycles. À des niveaux de stress inférieurs, certains de nos essais ont duré plus de 17 heures."
Comme pour les simulations, le graphène n'a pas accumulé de fissures ou d'autres signes révélateurs de stress - il s'est cassé ou non.
"Contrairement aux métaux, il n'y a pas d'endommagement progressif lors du chargement en fatigue du graphène, " dit Sun. " Son échec est global et catastrophique, confirmant les résultats de la simulation."
L'équipe a également testé un matériau connexe, oxyde de graphène, qui a de petits groupes d'atomes tels que l'oxygène et l'hydrogène liés à la fois au haut et au bas de la feuille. Son comportement en fatigue s'apparentait plus à celui des matériaux traditionnels, en ce que l'échec était plus progressif et localisé. Cela suggère que le simple, La structure régulière du graphène est un contributeur majeur à ses propriétés uniques.
"Il n'y a pas d'autres matériaux qui ont été étudiés dans des conditions de fatigue qui se comportent comme le graphène, " dit Filleter. "Nous travaillons toujours sur de nouvelles théories pour essayer de comprendre cela."
En termes d'applications commerciales, Filleter dit que des composites contenant du graphène - des mélanges de plastique conventionnel et de graphène - sont déjà produits et utilisés dans des équipements sportifs tels que les raquettes de tennis et les skis.
À l'avenir, ces matériaux peuvent commencer à être utilisés dans les voitures ou dans les avions, où l'accent mis sur les matériaux légers et résistants est motivé par la nécessité de réduire le poids, améliorer l'efficacité énergétique et améliorer la performance environnementale.
"Certaines études suggèrent que les composites contenant du graphène offrent une meilleure résistance à la fatigue, mais jusqu'à maintenant, personne n'avait mesuré le comportement en fatigue du matériau sous-jacent, ", dit-il. "Notre objectif en faisant cela était d'arriver à cette compréhension fondamentale afin qu'à l'avenir, nous pourrons concevoir des composites qui fonctionnent encore mieux."
