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Un aérogel en graphène imprimé en 3D pour la nanoélectronique

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Une équipe de chercheurs du célèbre Lawrence Livermore National Laboratory a réalisé un aérogel en graphène qui pourrait avoir d'importantes applications en nanoélectroniques, notamment pour fabriquer des batteries et des capteurs. La nouveauté par rapport aux précédents matériaux de ce type est que celui-ci présente une structure plus ordonnée obtenue par impression 3D.

Une illustration de la structure régulière obtenue par impression 3D lors de la fabrication du nouvel aérogel à base de graphène. © Ryan Chen, LLNL

Les chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory se sont illustrés plusieurs fois par des travaux sur l'aérogel. Ce matériau magique que l'on appelle aussi parfois le « brouillard de San Francisco » ou la « fumée gelée » est une sorte de mousse solide très poreuse avec un réseau de cavités de tailles nanométriques. Créée une première fois en 1931 par l'ingénieur chimiste Steven Kistler, elle est composée à 99,8 % d'air et présente une densité de 3 mg/cm3.

Cette mousse supporte plus de 2.000 fois son poids et constitue le solide le plus léger du monde. Elle est aussi un isolant remarquable car elle arrête presque complètement les transferts thermiques. Au fil des années, on a appris à en fabriquer à base de silice, d'oxyde d'étain, de chrome et même à partir du carbone et de l'alumine.

L'année dernière, les chercheurs du laboratoire Lawrence Livermore ont confectionné un aérogel à base de graphène et l'ont utilisé pour réaliser un supercondensateur. Ils sont allés un cran plus loin dans l'exploitation de cette nouvelle technologie comme le prouve un article récemment publié dans Nature Communication.

Le processus de fabrication de l'aérogel en graphène commence par la confection d'une encre à base d’oxyde de graphène en suspension dans l’eau et mélangé à de la silice. Très visqueuse, elle est extrudée à travers une seringue pilotée pour construire un microréseau régulier en 3D dans un bain de liquide. La structure est ensuite séchée puis carbonisée et la silice est éliminée avec de l'acide fluorhydrique. Les tests montrent que l'on obtient un matériau bon conducteur, facilement compressible et bien sûr très léger. © Livermore National Laboratory

Un aérogel au graphène fabriqué sur mesure pour l'industrie

En effet, les premiers résultats obtenus avec un aérogel à base de graphène montraient que sa structure poreuse était très irrégulière, ce qui excluait la possibilité d'un contrôle de ses propriétés physiques. Impossible, donc, d'adapter un tel matériau pour des dispositifs ayant des applications bien spécifiques.

Comme l'explique l'ingénieur Marcus Worsley, l'un des auteurs de l'article de Nature« Réaliser des aérogels en graphène avec des macro-architectures adaptées pour des applications spécifiques et une méthode de production transposable à l'échelle industrielle demeurait un défi important que nous sommes aujourd'hui en mesure de relever. L'impression 3D permet de concevoir intelligemment la structure des pores de l'aérogel, permettant un contrôle sur les flux de matière qui les traversent et l'optimisation des propriétés physiques, comme la rigidité. Ce développement devrait ouvrir de nouvelles perspectives pour utiliser les aérogels dans de nouveaux domaines et de façon créative ».

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