Le soi-disant « aérographène » de l'aéromatériau ressemble à une mousse noire, mais se compose à 99,9 % d'air et peut supporter des charges extrêmement élevées. Crédit :Julia Siekmann, Uni Kiel
Une équipe de recherche internationale dirigée par Kiel a développé une nouvelle méthode pour la génération d'explosions électriques contrôlables. Théoriquement, il suffit de 450 grammes de ce matériau pour soulever un éléphant :"Aerographene" doit cette capacité à sa structure unique au niveau nano. Visuellement semblable à une mousse noire, il est en fait constitué d'un réseau tubulaire finement structuré à base de graphène avec de nombreuses cavités. Cela le rend extrêmement stable, conducteur et presque aussi léger que l'air. Une équipe de recherche internationale dirigée par des scientifiques des matériaux de l'Université de Kiel (CAU) vient de franchir une étape importante vers des applications pratiques. Ils ont réussi à chauffer et à refroidir à plusieurs reprises l'aérographe et l'air contenu à l'intérieur à des températures très élevées en un laps de temps extrêmement court. Cela permet des pompes extrêmement puissantes, des applications d'air comprimé ou des filtres à air stérilisants en miniature. L'article est paru en couverture du numéro actuel de la célèbre revue scientifique Materials Today .
"Lorsque nous avons introduit ces matériaux pour la première fois, il s'agissait de la classe de matériaux la plus légère au monde à ce jour, avec une densité de seulement 0,2 milligramme par centimètre cube. Comme il s'agit pratiquement d'air, nous les avons appelés" aéromatériaux "", se souvient Rainer Adelung. Le professeur de nanomatériaux fonctionnels à la CAU avait développé les matériaux, qui ont été présentés pour la première fois en 2012, avec des collègues de l'Université de technologie de Hambourg. Les propriétés fascinantes des aéromatériaux ont suscité un intérêt mondial et ont fait l'objet de recherches intensives depuis lors, par exemple dans le cadre de la grande initiative de recherche européenne "Graphene Flagship".
Cette nouvelle étude apporte une contribution à la manière dont les aéromatériaux pourraient passer de la recherche fondamentale à l'application. Les scientifiques des matériaux de Kiel, en collaboration avec des collègues de la Technische Universität Dresden, de l'Université du Danemark du Sud, de l'Université de Trente et de l'Université Queen Mary de Londres, ont découvert d'autres propriétés qui permettent des innovations dans les domaines de la pneumatique, de la robotique ou de la technologie des filtres à air.
Le modèle montre la structure interne en filigrane, un réseau de tubes de graphène qui rend l'aérographène si léger et conducteur. Crédit :Julia Siekmann, Uni Kiel
'Aerographene' peut être chauffé et refroidi très rapidement
"Dans nos expériences, nous avons découvert que les aéromatériaux fabriqués à partir de graphène et d'autres nanomatériaux conducteurs peuvent être chauffés électriquement extrêmement rapidement avec jusqu'à plusieurs centaines de degrés par milliseconde en raison de leur faible densité", explique le Dr Fabian Schütt de CAU, qui a dirigé et a mené les expériences avec le Dr Florian Rasch. Pour ce faire, les scientifiques des matériaux ont utilisé l'aéromatériau « aérographène », composé de quelques couches d'atomes de carbone et de 99,9 % d'air. Lorsqu'il est chauffé, cet air contenu à l'intérieur du matériau est également chauffé extrêmement rapidement et se dilate. Dans le cas d'un échauffement très rapide, il y a expansion de volume et on parle d'"explosion". "Cela signifie que nous sommes désormais en mesure d'utiliser l'aérographène pour déclencher de petites explosions contrôlables et reproductibles qui ne nécessitent pas de réaction chimique", déclare Schütt, résumant leurs découvertes.
En effet, presque aussi rapidement qu'il chauffe, l'aérographène se refroidit dès que l'alimentation électrique est coupée. "Il ne peut pratiquement pas stocker de chaleur en raison de sa capacité calorifique extrêmement faible. Grâce à sa structure en réseau, il la restitue très rapidement dans l'air ambiant", poursuit Schütt. Le chauffage et le refroidissement rapides du matériau permettent aux chercheurs de déclencher plusieurs explosions par seconde, les unes après les autres. "Cela nous donne un air comprimé extrêmement puissant sur simple pression d'un bouton, sans les compresseurs et les alimentations en gaz qui seraient autrement nécessaires", explique Adelung.
Le matériau a déjà résisté à plus de 100 000 cycles (brevet en instance)
Comme l'a maintenant découvert une équipe de recherche dirigée par des scientifiques des matériaux de CAU, quelques milligrammes d'aérographène (au bas du cylindre de pression sur la photo), par exemple, suffisent à soulever un poids de 2 kilogrammes - par un souffle d'air généré lorsque le matériau est chauffé. Crédit :Florian Rasch
Les scientifiques utilisent cet effet pour développer de nouvelles pompes qui peuvent être spécifiquement ajustées ainsi que des actionneurs performants au format miniature. "Si vous placez l'aéromatériau dans un cylindre de pression et que vous le chauffez à l'électricité, le souffle d'air généré peut être utilisé pour déplacer des objets de haut en bas de manière ciblée et plusieurs fois par seconde", explique Rasch, qui a récemment terminé sa thèse de doctorat sur ce sujet. Dans leurs expériences, les deux premiers auteurs, Schütt et Rasch, ont pu montrer que même une petite quantité d'objets aérographènes plusieurs fois plus lourds peuvent être déplacés. Par exemple, 10 milligrammes d'aérographène suffisaient à soulever un poids de deux kilogrammes en quelques millisecondes seulement. Ainsi, les actionneurs développés avec l'aérographène ont des densités de puissance élevées tout en conservant de grands changements de volume.
"Contrairement aux réactions chimiques, ces petites explosions électriques peuvent être contrôlées de manière très spécifique et sont également très propres. En modifiant la durée et l'intensité de l'alimentation en courant, nous pouvons contrôler avec précision la fréquence et l'intensité des explosions d'air", explique Rasch. Grâce à l'extrême conductivité des aéromatériaux, ils n'ont besoin que d'une petite quantité d'électricité pour cela. Dans les expériences menées à Kiel, le matériau a jusqu'à présent résisté à 100 000 cycles et un brevet a déjà été déposé.
Peut également être utilisé comme filtre à air autonettoyant contre les bactéries
À titre d'exemple d'applications, le groupe de recherche d'Adelung développe actuellement de nouveaux matériaux et systèmes de filtres à air basés sur l'aérographène en coopération avec le fournisseur aéronautique allemand Lufthansa Technik et financé par le Graphene Flagship. "Les courants d'air peuvent être très bien guidés à travers la structure en réseau ouvert du matériau et peuvent être fortement chauffés pendant une courte période. De cette façon, les bactéries et les virus, par exemple, peuvent être filtrés de l'air et tués", a déclaré Adelung. . "Cela pourrait permettre à ces systèmes de filtrage de fonctionner en auto-nettoyage et de fonctionner sans entretien coûteux à l'avenir." Le matériau de brouillard solide artificiel crée une lumière laser agréable
