Le graphène est un matériau ultrafin caractérisé par son module de flexion ultra-petit, superfacilite. Les chercheurs du Nanoscience Center de l'Université de Jyväskylä ont maintenant démontré comment une technique expérimentale appelée forgeage optique peut rendre le graphène ultra-rigide, augmenter sa rigidité de plusieurs ordres de grandeur. La recherche a été publiée dans Matériaux et applications 2D npj en mai 2021.

Le graphène est un matériau de carbone atomiquement mince chargé d'excellentes propriétés, comme la mobilité des grands porteurs de charge, excellente conductivité thermique, et une transparence optique élevée. Son imperméabilité et sa résistance à la traction 200 fois supérieure à celle de l'acier le rendent adapté aux applications nanomécaniques. Malheureusement, sa fragilité exceptionnelle rend toutes les structures tridimensionnelles notoirement instables et difficiles à fabriquer.

Ces difficultés sont peut-être terminées, en tant que groupe de recherche du Centre de nanosciences de l'Université de Jyväskylä, a démontré comment rendre le graphène ultra-rigide à l'aide d'un traitement au laser spécialement développé. Ce raidissement ouvre de tout nouveaux domaines d'application pour ce matériau merveilleux.

Le même groupe a déjà préparé des structures de graphène tridimensionnelles à l'aide d'une méthode de structuration laser femtoseconde pulsée appelée forgeage optique. L'irradiation laser provoque des défauts dans le réseau de graphène, qui à son tour élargit le réseau, provoquant des structures tridimensionnelles stables. Ici, le groupe a utilisé le forgeage optique pour modifier une membrane de graphène monocouche suspendue comme une peau de tambour et a mesuré ses propriétés mécaniques par nanoindentation.

Les mesures ont révélé que la rigidité à la flexion du graphène a augmenté jusqu'à cinq ordres de grandeur par rapport au graphène vierge, qui est un nouveau record du monde.

"En premier, nous n'avons même pas compris nos résultats. Il a fallu du temps pour digérer ce que le forgeage optique avait réellement fait pour le graphène. Cependant, progressivement la pleine gravité des implications a commencé à se faire jour sur nous, " dit le Dr Andreas Johansson, qui a dirigé les travaux de caractérisation des propriétés du graphène forgé optiquement.

Le graphène renforcé ouvre la voie à de nouvelles applications

L'analyse a révélé que l'augmentation de la rigidité en flexion était induite pendant le forgeage optique par des ondulations d'ingénierie de déformation dans la couche de graphène. Dans le cadre de l'étude, une modélisation de l'élasticité en feuille mince des membranes ondulées de graphène a été réalisée, montrant que le raidissement se produit à la fois à l'échelle micro et nanométrique, au niveau des défauts induits dans le réseau de graphène.

« Le mécanisme global est clair, mais la découverte de tous les détails atomistiques de la création de défauts nécessite encore des recherches supplémentaires, " dit le professeur Pekka Koskinen, qui a réalisé le modelage.

Le graphène renforcé ouvre des perspectives pour de nouvelles applications, telles que la fabrication de structures d'échafaudage microélectromécaniques ou la manipulation de la fréquence de résonance mécanique des résonateurs à membrane en graphène jusqu'au régime GHz. Le graphène étant léger, solide et imperméable, l'une des possibilités consiste à utiliser le forgeage optique sur des flocons de graphène pour fabriquer des structures de cage à l'échelle micrométrique pour le transport de médicaments par voie intraveineuse.

"La méthode de forgeage optique est particulièrement puissante car elle permet l'écriture directe de caractéristiques de graphène raidies précisément aux endroits où vous le souhaitez, " dit le professeur Mika Pettersson, qui supervise le développement de la nouvelle technique. "Notre prochaine étape sera d'étendre notre imagination, jouer avec le forgeage optique, et voyez quels appareils au graphène nous pouvons fabriquer."