Le graphène, constitué d'une seule couche d'atomes de carbone, est l'enfant phare des nanomatériaux 2D à base de carbone. Il possède de nombreuses propriétés intéressantes qui pourraient être exploitées dans l'électronique de nouvelle génération, l'optique, la catalyse, la biomédecine et de nombreux autres domaines. Récemment, de nombreux scientifiques se sont concentrés sur le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) en tant que technique rentable pour produire de plus grandes surfaces de graphène au lieu de la méthode bien établie d'exfoliation mécanique, qui ne peut produire que de petites îles de graphène.

Cependant, le graphène CVD contient un bon nombre de structures et de défauts de surface, notamment des rides, des joints de grains cristallins et une contamination de surface. Parce que le graphène est si mince, même des irrégularités de surface mineures peuvent grandement affecter ses propriétés, faisant de ses relations surface-propriété un domaine de recherche important. Bien que de nombreuses études sur ce sujet aient été menées sur le graphène CVD monocouche, peu se sont concentrées sur la manière dont les structures de surface affectent les caractéristiques de friction à l'échelle nanométrique du graphène CVD multicouche.

Récemment, une équipe de chercheurs de l'Université nationale de Pusan, en Corée, dirigée par le professeur adjoint Songkil Kim, s'est attaquée à ce manque de connaissances. "La corrélation des caractéristiques de surface avec les propriétés d'un matériau est vraiment importante", explique le Dr Kim, "Imaginez que vous empilez des papiers et qu'il y a une énorme pression de compression sur ces papiers. Cela pourrait provoquer des déformations structurelles massives dans les couches empilées et la surface. De même, les changements structurels qui se produisent dans le graphène multicouche peuvent affecter ses propriétés de surface, telles que sa friction, sur lesquelles nous nous sommes concentrés." Leur article a été mis en ligne le 24 janvier 2022 et publié dans le volume 584 de Applied Surface Science le 15 mai 2022.

L'équipe a d'abord utilisé la pointe de la taille d'un atome d'un microscope à force atomique (AFM) pour gratter la surface du graphène multicouche CVD, en nettoyant tous les résidus polymères. Ensuite, ils ont utilisé l'imagerie AFM, la microscopie à force de friction et la spectroscopie Raman pour identifier et étudier diverses structures de surface et la manière dont elles affectent la friction à l'échelle nanométrique. Fait intéressant, ils ont découvert que seule la couche supérieure de graphène était tordue par rapport au reste, ce qui influençait le frottement à l'échelle nanométrique dépendant de la couche d'une manière qui variait en fonction de la charge appliquée.

Dans l'ensemble, les résultats de cette étude pourraient ouvrir la voie à des applications mécaniques intéressantes pour le graphène CVD. "Le graphène et des matériaux similaires peuvent être utilisés comme lubrifiants solides", commente le Dr Kim, "Alors que les lubrifiants liquides comme les huiles moteur ne conviennent pas aux environnements difficiles tels que l'espace extra-atmosphérique ou les régions polaires, l'excellente robustesse et les propriétés de frottement du graphène le rendent une alternative attrayante et non toxique."

Il est intéressant de noter que le développement de lubrifiants hautes performances présente des avantages environnementaux car la réduction des frottements est essentielle pour éviter les pertes d'énergie dans les systèmes mécaniques. Une autre application potentielle du graphène CVD multicouche concerne les micro/nano-dispositifs, où un contrôle précis du frottement est nécessaire. + Explorer plus loin

Matériau 2D en trois dimensions