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Nanotechnologies : le graphène se prête à l'art du kirigami

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Des chercheurs ont appliqué l'art du kirigami à des feuilles de graphène plus fines qu'un cheveu humain. Ils sont parvenus à les couper et à les déformer sans les déchirer comme on pourrait le faire avec des feuilles de papier. De quoi réaliser une outillage pour les nanotechnologies, ressorts ou charnières, par exemple, comme l'ont démontré ces physiciens.

Comme le papier, le graphène est solide mais flexible et il peut donc assez facilement être déformé. © Joe Wilensky, Cornell Chronicle

L'origami désigne l'art de plier le papier pour créer des structures en 3D aussi belles que complexes. Le kirigami est l'art de découper le papier. Et des chercheurs américains de l'université de Cornell ont décidé d'en appliquer les principes à l'échelle nanométrique sur des feuillets de graphène de 10 microns d'épaisseur seulement. Leur objectif : élaborer des structures micrométriques aux propriétés ajustables. Les résultats de leurs expériences sont rapportés dans un article paru dans la revue Nature.

Rappelons que le graphène est un matériau à deux dimensions composé d'atomes de carbone arrangés selon un motif hexagonal. Depuis quelques années, le graphène suscite un vif intérêt au sein de la communauté scientifique. Il présente en effet des propriétés étonnantes (résistance mécanique et chimique, conductivité électrique et thermique, etc.) qui laissent suggérer de nombreuses applications possibles. Et encore plus si le matériau initialement plan peut être modelé en structures tridimensionnelles.

En étudiant expérimentalement le nombre de Föppl-von Karman de feuillets de graphène, les chercheurs de l'université de Cornell l'ont découvert des milliers de fois plus grand que ce qu'ils avaient imaginé. Ce paramètre détermine l'ordre de grandeur du rapport entre l'énergie de déformation dans le plan et l'énergie de courbure. En d'autres termes, plus le nombre de Föppl-von Karman est élevé, plus une feuille peut être facilement pliée ou froissée sans risque d'être déchirée. D'où l'idée d'appliquer aux feuillets de graphène les principes du kirigami.

Un kirigami à base de graphène se comporte comme un ressort micrométrique souple et flexible. © McEuen lab

Des ressorts et des charnières en graphène

L'expérimentation n'est pas si facile car à l'échelle nanométrique les feuillets de graphène sont particulièrement collants. Alors, pour les manipuler plus facilement, les chercheurs américains les ont trempés dans une solution aqueuse de tensioactifs. De quoi diminuer les tensions superficielles et rendre les feuillets plus glissants. Ils ont également ajouté des sortes de poignées d'or afin de pouvoir les manier plus aisément.

Avant de découper les feuillets de graphène, les chercheurs de l'université de Cornell ont découpé au laser de simples feuilles de papier et imaginé les applications qui pourraient être envisagées en fonction des structures obtenues. Ils ont ainsi pu réaliser un ressort particulièrement souple et flexible. Les forces nécessaires à le contracter n'excéderaient pas celles que peut exercer une protéine motrice. De quoi, donc, envisager des applications biologiques.

Les chercheurs américains ont également pu réaliser une charnière. Après 10.000 ouvertures et fermetures, elle est restée intacte et parfaitement élastique. Une qualité qui pourrait servir à concevoir des nanomachines performantes. Le ministère de la Défense américain a d'ores et déjà attribué des fonds supplémentaires afin que ces travaux de recherche se poursuivent.

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