De nouvelles expériences menées par des chercheurs de l'Université de Manchester ont placé les meilleures limites à ce jour sur l'imperméabilité du graphène et d'autres matériaux bidimensionnels aux gaz et aux liquides. Les travaux ont également révélé que la feuille de carbone peut agir comme un puissant catalyseur pour la division de l'hydrogène, une découverte qui promet des catalyseurs bon marché et abondants à l'avenir.

Le graphène possède théoriquement une très haute énergie pour la pénétration des atomes et des molécules, qui empêche les gaz et liquides de le traverser à température ambiante. En effet, on estime qu'il faudrait plus de temps que la durée de vie de l'Univers pour trouver un atome suffisamment énergétique pour percer un graphène monocouche sans défaut de n'importe quelle taille réaliste dans des conditions ambiantes, disent les chercheurs dirigés par le professeur Sir Andre Geim. Cette hypothèse est étayée par des expériences dans le monde réel réalisées il y a plus d'une décennie qui ont révélé que le graphène d'un atome d'épaisseur était moins perméable aux atomes d'hélium qu'un film de quartz de quelques microns d'épaisseur. Bien que le film soit 100, 000 plus épais que le graphène, c'est encore très loin de la limite théorique.

Conteneurs parfaitement scellés

L'équipe de Manchester a développé une technique de mesure qui est plusieurs milliards de fois plus sensible à la pénétration des atomes de gaz que n'importe laquelle des méthodes connues. Dans leur étude, signalé dans La nature , ils ont commencé par forer des puits micrométriques dans des monocristaux de graphite ou de nitrure de bore, qu'ils ont recouvert d'une membrane de graphène d'un atome d'épaisseur. Étant donné que la surface supérieure de ces conteneurs est atomiquement plate, le couvercle assure une parfaite étanchéité à l'air. La seule façon pour les atomes et les molécules d'entrer dans un conteneur est à travers la membrane de graphène. La membrane elle-même est flexible et réagit aux changements mineurs de pression à l'intérieur du récipient.

Les chercheurs ont ensuite placé les conteneurs dans de l'hélium gazeux. Si des atomes entrent ou sortent d'un conteneur, la pression du gaz à l'intérieur augmente ou diminue, respectivement, et fait bomber la surface de la couverture sur de petites distances. L'équipe a surveillé ces mouvements avec une précision de l'angström à l'aide d'un microscope à force atomique.

"Le nouveau résultat confirme (et fournit une explication) certains des rapports précédents dans la littérature sur l'activité catalytique étonnamment élevée du graphène, ce qui était particulièrement contre-intuitif en raison de l'extrême inertie de son parent en vrac, graphite, " dit le professeur Sir Andre Geim.

Comme un "mur de verre d'un kilomètre d'épaisseur"

Des changements dans la position de la membrane, le nombre d'atomes ou de molécules pénétrant à travers le graphène peut être calculé avec précision. Les chercheurs ont découvert que pas plus de quelques atomes d'hélium, le cas échéant, entraient ou sortaient de leur conteneur par heure. "Cette sensibilité est de plus de huit à neuf ordres de grandeur supérieure à celle obtenue dans les expériences précédentes sur l'imperméabilité du graphène, qui eux-mêmes étaient de quelques ordres de grandeur plus sensibles que la limite de détection des détecteurs de fuite à l'hélium modernes. Pour mettre cela en perspective, le carbone d'un atome d'épaisseur est moins perméable aux gaz qu'une paroi de verre d'un kilomètre d'épaisseur, " explique Geim.

L'hélium est le plus pénétrant de tous les gaz, à cause de ses petits atomes interagissant faiblement. Néanmoins, les chercheurs ont décidé de répéter leurs expériences avec d'autres gaz comme le néon, azote, oxygène, argon, krypton, xénon et hydrogène. Tous n'ont montré aucune perméation avec la même précision que celle obtenue pour l'hélium, sauf pour l'hydrogène. Contrairement à tous les autres, il a pénétré relativement rapidement à travers du graphène sans défaut. Dr Pengzhan Sun, le premier auteur de l'article Nature, a commenté « C'est un résultat choquant :une molécule d'hydrogène est beaucoup plus grosse qu'un atome d'hélium. Si ce dernier ne peut pas passer, comment diable les plus grosses molécules peuvent-elles le faire."

Graphène courbe pour la dissociation de l'hydrogène

L'équipe attribue la perméation d'hydrogène inattendue au fait que les membranes de graphène ne sont pas complètement plates mais ont beaucoup d'ondulations de taille nanométrique. Ceux-ci agissent comme des régions catalytiquement actives et dissocient l'hydrogène moléculaire absorbé en deux atomes d'hydrogène, une réaction qui est généralement extrêmement défavorable. Les ondulations du graphène favorisent la séparation de l'hydrogène, en accord avec la théorie. Puis, les atomes d'hydrogène adsorbés peuvent basculer de l'autre côté des membranes de graphène avec une relative facilité, de la même manière que la perméation des protons à travers du graphène sans défaut. Ce dernier processus était connu auparavant et expliqué par le fait que les protons sont des particules subatomiques, assez petit pour se faufiler à travers le réseau cristallin dense du graphène.

"Le nouveau résultat confirme (et fournit une explication) certains des rapports précédents dans la littérature sur l'activité catalytique étonnamment élevée du graphène, ce qui était particulièrement contre-intuitif en raison de l'extrême inertie de son parent en vrac, graphite, " dit Geim.

"Notre travail fournit une base pour comprendre pourquoi le graphène peut fonctionner comme un catalyseur - quelque chose qui devrait stimuler de nouvelles recherches sur l'utilisation du matériau dans de telles applications à l'avenir, " ajoute le Dr Sun. " Dans un sens, les nanoripples de graphène se comportent comme des particules de platine, qui sont également connus pour diviser l'hydrogène moléculaire. Mais personne ne s'attendait à cela d'un graphène apparemment inerte."