Le graphène est 200 fois plus résistant que l'acier et peut être jusqu'à six fois plus léger. Ces caractéristiques à elles seules en font un matériau populaire dans la fabrication. Des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont récemment découvert d'autres propriétés des feuilles de graphène pouvant profiter à l'industrie.

Doctorant Soumendu Bagchi, avec son conseiller Huck Beng Chew du département d'ingénierie aérospatiale en collaboration avec Harley Johnson des sciences mécaniques et de l'ingénierie, ils ont identifié le comportement des feuilles de graphène torsadées et leur stabilité à différentes tailles et températures.

"Nous nous sommes concentrés sur deux feuilles de graphène empilées l'une sur l'autre mais avec un angle de torsion, " a déclaré Bagchi. "Nous avons fait des simulations atomistiques à différentes températures pour différentes tailles de feuilles de graphène. En utilisant les informations de ces simulations, nous avons développé un modèle analytique - vous pouvez brancher n'importe quelle taille de feuille, n'importe quel angle de torsion, et le modèle prédira le nombre d'états stables locaux dont il dispose ainsi que la température critique requise pour atteindre chacun de ces états."

Bagchi a expliqué que le graphène bicouche existe dans une configuration empilée de Bernal sans torsion, qui est également la séquence d'empilement répétée du graphite hexagonal cristallin. Lorsque le graphène bicouche est tordu, il veut revenir à son état d'origine parce que c'est l'état et le placement les plus stables des atomes.

"Lorsque la structure atomique tordue est chauffée, il a tendance à tourner en arrière, mais il existe certains angles de torsion magiques auxquels la structure reste stable en dessous d'une température spécifique. Et, il y a aussi une dépendance de taille. Ce qui est passionnant dans notre travail, c'est selon la taille de la feuille de graphène, nous pouvons prédire combien d'états stables vous aurez, les angles de torsion magiques à ces états stables, ainsi que la plage de températures nécessaires pour que le graphène tordu passe d'un état stable à un autre, " dit Bagchi.

Selon Chew, les fabricants ont essayé de fabriquer des transistors au graphène, et les bicouches de graphène torsadées sont connues pour présenter des propriétés électroniques intéressantes. En fabriquant ces transistors au graphène, il est important de savoir à quelle température excitera le matériau pour obtenir une certaine rotation ou réponse mécanique.

"Ils savaient qu'une feuille de graphène avait certaines propriétés électroniques, et l'ajout d'une deuxième feuille à un angle donne de nouvelles propriétés uniques. Mais une seule feuille atomique n'est pas facile à manipuler. Fondamentalement, cette étude répond à des questions sur le comportement des feuilles de graphène torsadées sous charge thermique, et fournit des informations sur les mécanismes et les forces d'auto-alignement au niveau atomique. Cela pourrait potentiellement ouvrir la voie aux fabricants pour obtenir un contrôle précis de l'angle de torsion des structures de matériaux 2D. Ils peuvent directement insérer des paramètres dans le modèle pour comprendre les conditions nécessaires à l'obtention d'un état torsadé spécifique."

Bagchi a déclaré que personne n'avait étudié les propriétés 2-D de matériaux comme celui-ci. C'est une étude très fondamentale, et un qui a commencé comme un projet différent, quand il est tombé sur quelque chose d'inhabituel.

"Il a remarqué que les feuilles de graphène présentaient une certaine dépendance à la température, " Chew a déclaré. "Nous nous sommes demandé pourquoi il se comportait de cette façon, pas comme un matériau normal.

« Dans les matériaux normaux, l'interface est généralement très forte. Avec du graphène, l'interface est très faible permettant aux calques de glisser et de pivoter. L'observation de cette dépendance à la température intéressante n'était pas prévue. C'est la beauté de la découverte en science."