Le matériau dans un microscope optique (en bas) et un microscope électronique (en haut). Crédit :Stefano Veronesi
Le matériau carboné graphène n'a pas d'épaisseur bien définie; il se compose simplement d'une seule couche d'atomes. Il est donc souvent qualifié de "matériau bidimensionnel". Essayer d'en faire une structure tridimensionnelle peut sembler contradictoire au premier abord, mais c'est un objectif important :si l'on veut exploiter au mieux les propriétés de la couche de graphène, il faut alors intégrer autant de surface active que possible dans un volumes limités.
La meilleure façon d'atteindre cet objectif est de produire du graphène sur des nanostructures ramifiées complexes. C'est exactement ce qu'une coopération entre CNR Nano à Pise, TU Wien (Vienne) et l'Université d'Anvers a réalisé. Cela pourrait aider, par exemple, à augmenter la capacité de stockage par volume d'hydrogène ou à construire des capteurs chimiques avec une sensibilité plus élevée.
Du solide au poreux
Dans le groupe du professeur Ulrich Schmid (Institute for Sensor and Actuator Systems, TU Wien), des recherches sont menées depuis des années sur la façon de transformer des matériaux solides tels que le carbure de silicium en structures poreuses extrêmement fines de manière contrôlée avec précision. "Si vous pouvez contrôler la porosité, de nombreuses propriétés de matériaux différentes peuvent en être influencées", explique Georg Pfusterschmied, l'un des auteurs de l'article actuel.
Les procédures technologiques requises pour atteindre cet objectif sont difficiles :"Il s'agit d'un processus électrochimique qui se compose de plusieurs étapes", explique Markus Leitgeb, un chimiste qui travaille également dans le groupe de recherche d'Ulrich Schmid à la TU Wien. "Nous travaillons avec des solutions de gravure très spécifiques et appliquons des caractéristiques de courant électrique sur mesure en combinaison avec une irradiation UV." Cela permet de graver de minuscules trous et canaux dans certains matériaux.
La chambre de préparation, dans laquelle la structure du graphène est créée. Crédit :Stefano Veronesi
En raison de cette expertise dans la réalisation de structures poreuses, l'équipe de Stefan Heun de l'Institut des nanosciences du Conseil national italien de la recherche CNR s'est tournée vers ses collègues de la TU Wien. L'équipe de Pisa cherchait une méthode pour produire des surfaces de graphène dans des nanostructures ramifiées afin de permettre de plus grandes surfaces de graphène. Et la technologie développée à TU Wien est parfaitement adaptée à cette tâche.
"Le matériau de départ est le carbure de silicium, un cristal de silicium et de carbone", explique Stefano Veronesi, qui a réalisé la croissance du graphène au CNR Nano à Pise. "Si vous chauffez ce matériau, le silicium s'évapore, le carbone reste et si vous le faites correctement, il peut former une couche de graphène à la surface."
Un processus de gravure électrochimique a donc été développé à TU Wien qui transforme le carbure de silicium solide en la nanostructure poreuse souhaitée. Environ 42 % du volume est éliminé au cours de ce processus. La nanostructure restante a ensuite été chauffée sous vide poussé à Pise afin que du graphène se forme à la surface. Le résultat a ensuite été examiné en détail à Anvers. Cela a révélé le succès du nouveau processus :en effet, un grand nombre de flocons de graphène se forment sur la surface de forme complexe de la nanostructure 3D.
Beaucoup de surface sous une forme compacte
"Cela nous permet d'utiliser beaucoup plus efficacement les avantages du graphène", déclare Ulrich Schmid. "La motivation initiale du projet de recherche était de stocker l'hydrogène :vous pouvez stocker temporairement des atomes d'hydrogène sur des surfaces de graphène, puis les utiliser pour divers processus. Plus la surface est grande, plus la quantité d'hydrogène que vous pouvez stocker est importante." Mais il existe également de nombreuses autres idées pour utiliser de telles structures de graphène 3D. Une grande surface est également un avantage décisif dans les capteurs chimiques, qui peuvent par exemple être utilisés pour détecter des substances rares dans les gaz.
La recherche a été publiée dans Carbon . Les atomes utilisent des tunnels pour échapper à la couverture de graphène
