Cette structure en plastique a été réalisée avec une imprimante 3D. Elle fait partie des surfaces minimales appelées gyroides. © Melanie Gonick, MIT

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Graphène : le MIT a créé un matériau plus résistant que l’acier et aussi léger que le plastique

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Par Laurent Sacco, Futura

On savait que les feuillets de graphène ont une exceptionnelle résistance mécanique. Mais selon des chercheurs du MIT, un assemblage en 3D de ces feuillets selon une structure mathématique précise permettrait d'obtenir un matériau 10 fois plus solide que l'acier et aussi léger que du plastique.

Le terme de plastacier (plasteel en anglais), n'est pas étranger aux fans de Dune, le mythique roman de Frank Herbert. Mais il parlera sans doute davantage aux passionnés du célèbre ouvrage Vaisseaux de l'espace, de l'an 2000 à l'an 2100 de Stewart Cowley, la traduction française du premier livre de la série Terran Trade Authority, plus fameux, probablement, en Grande-Bretagne. Dans cette dernière version, c'est une sorte d'unobtainium aussi léger que le plastique mais considérablement plus résistant que l'acier.

Selon des chercheurs du MIT, un tel matériau impossible devrait être à notre portée s'il est fabriqué convenablement à l'aide de feuillets de graphène, comme ils l'expliquent dans un article publié dans Science. Cependant, il ne s'agit encore, pour l'essentiel, que de prédictions tirées de simulations numériques modélisant la propriété de ce matériau à l'aide des lois de la mécanique quantique et qui ont été testées à l'aide de simulations analogiques, si l'on peut dire. En l'occurrence, il s'agit de modèles réalisés à l'aide d'une imprimante 3D.

Un exemple de la structure que l’on peut obtenir en 3D en chauffant et comprimant des feuillets de graphène. Le cadre principal est une image de synthèse. L’image dans la fenêtre du haut a été obtenue avec un microscope électronique. © Qin et al. Sci. Adv. 2017;

Le graphène, le matériau miracle

Rappelons que la découverte du graphène a été couronnée par l'attribution d'un prix Nobel et que l'Union européenne a débloqué un fond d'environ un milliard d'euros pour permettre des recherches dessus. Scientifiques et investisseurs attendent de lui qu'il révolutionne l'électronique ainsi que d'autres technologies comme le séquençage de l'ADN ou encore celle de la désalinisation de l’eau de mer. Pourtant il s'agit de simples feuillets dont l'épaisseur est celle d'un atome de carbone et que l'on obtient à partir du graphite. Ces feuillets sont toutefois doués d'exceptionnelles propriétés de conduction électrique ainsi que de résistance mécanique.

Les chercheurs du MIT se sont justement concentrés sur cette dernière propriété, ce qui leur a permis d'étudier la possibilité de faire des sortes d'aérogel avec le graphène, c'est-à-dire des structures poreuses en 3D formées par un assemblage subtil de flocons de feuillets de graphène. On sait faire des structures plus basiques, mais similaires, en comprimant et chauffant des flocons de graphène. On obtient alors, comme ces chercheurs l'ont montré, une structure résistante qui n'est pas sans rappeler celles de certains coraux ainsi que du test calcaire des diatomées. Une des question étudiées était de savoir s'il était possible de créer de semblables structures avec le graphène de sorte qu'elles seraient plus légères que l'air et donc capables de flotter comme des ballons, mais sans l'aide d'hydrogène et d'hélium. La réponse a été non, car un tel matériau s'effondrerait sous la pression extérieure de l'air.

Une explication des travaux des chercheurs du MIT. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Massachusetts Institute of Technology (MIT)

Une surface minimale, une gyroide, comme clé du plastacier

Mais d'après les simulations numériques, il devait tout de même exister un assemblage de flocons de graphène permettant d'obtenir un matériau dont la densité est de seulement 5 % de l'acier, tout en ayant une résistance mécanique 10 fois supérieure. Des modèles macroscopiques bien précis ont donc été réalisés avec une imprimante 3D. Avec ces modèles analogiques, un bon accord avec les lois de résistance mécanique prédites a été obtenu. Techniquement, la structure géométrique est un exemple de ce que l'on appelle en physique et en mathématique des surfaces minimales. Ce sont des formes géométriques dont la surface est la plus petite possible en fonction de certaines contraintes, souvent mécaniques (comme des bulles de savon qui minimisent leur énergie). En l'occurrence, les chercheurs du MIT ont utilisé un exemple de surfaces baptisées gyroides, découvertes par Alan Schoen en 1970 alors qu'il travaillait à la Nasa. Elles sont elles-mêmes des cas particuliers des surfaces minimales découvertes au XIXe siècle par le grand mathématicien allemand Hermann Amandus Schwarz.

Reste que l'on ne sait pas encore vraiment par quel moyen de synthèse on pourrait obtenir la structure la plus performante qui a été découverte par les physiciens. Ce qui est certain, en revanche, c'est que cette structure joue un rôle majeur dans la résistance mécanique du matériau de sorte qu'on pourrait imaginer fabriquer des cousins de ce plastacier à base de graphène avec d'autres substances, que ce soit des polymères ou des métaux.

Pour en savoir plus

Le matériau le plus résistant au monde !

Article de Laurent Sacco publié le 22/07/2008

Nouvelle illustration des propriétés exceptionnelles de ce matériau découvert en 2004... Selon un groupe de chercheurs de l'Université de Columbia aux Etats-Unis, le graphène présente la plus grande résistance à la rupture parmi tous les matériaux connus à ce jour.

On ne présente plus le graphène, cette couche monoatomique d'atomes de carbone que l'on obtient facilement en séparant les feuillets du graphite. Doué de remarquables propriétés utilisables en électronique, il pourrait un jour détrôner le silicium. On le retrouve aussi dans d'autres matériaux miracles des nanotechnologies, les nanotubes de carbone et les fullerènes.

Les nanotubes sont en effet de simples feuillets de graphène enroulés. On en connaissait déjà la très grande résistance mécanique, au point d'en faire de bons candidats pour le câble d'un hypothétique ascenseur spatial, du type de celui popularisé par Arthur C. Clarke dans Les Fontaines du Paradis.

Aujourd'hui, comme ils l'expliquent dans un article publié dans Science, James Hone, Jeffrey Kysar, Changgu Lee et Xiaoding Wei ont étudié la résistance à la rupture d'un feuillet de graphène à l'aide de la pointe diamantée d'un microscope à force atomique, d'un diamètre de 20 nanomètres. Un tel instrument utilise d'ordinaire une pointe en silicium mais, dans cette expérience, elle se serait brisée bien avant le feuillet de graphène.

Deux tonnes sur une pointe de crayon

Classiquement obtenu par exfoliation du graphite, ce feuillet a été placé sur une lamelle de silicium percée de trous d'un diamètre de 1 à 1,5 micromètre. La pointe du microsocope à force atomique a ensuite été utilisée pour déformer le feuillet. Il devenait alors possible de mesurer à la fois le rapport entre les forces appliquées et les déformations obtenues, ainsi que le seuil de rupture du graphène. La résistance à la rupture qu'ont mesurée les scientifiques établit un record. Si un film étirable de plastique d'emballage pour aliments possédait la même résistance, il supporterait une masse de deux tonnes sur une pointe de crayon !

Une telle résistance s'explique par l'absence de défauts sur le feuillet de graphène, car c'est surtout de la taille et du nombre de défauts contenus dans un matériau que dépend sa résistance à la rupture. Comme l'expliquent les chercheurs, cette valeur de la résistance servira de référence pour établir les propriétés mécaniques des matériaux contenant du graphène, nanostructures ou composites.

L'équipe s'engage maintenant dans l'étude des propriétés liées à la friction ainsi qu'à la détermination des caractéristiques des forces de Van der Walls entre le graphène et différents substrats sur lesquels il pourrait être déposé.

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