Graphène: plus il a de défauts, mieux il résiste

Publié par Redbran le 22/07/2016 à 12:00
Source: CNRS-INC
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Molécule de graphène. Illustration: Wikimedia Commons Mpfiz
Le graphène est un matériau bien connu pour sa résistance mécanique bien supérieure à celle de l'acier. Pour l'étudier, les chercheurs du Laboratoire des composites thermostructuraux (CNRS/Université de Bordeaux/CEA/Safran) se sont plus particulièrement intéressés à ses conditions de rupture. Grâce à des simulations de dynamique moléculaire (Une simulation de dynamique moléculaire consiste à calculer l'évolution d'un système de...), ils ont pu montrer, contre toute attente, que plus la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) de défauts présents dans le graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.) était importante, plus il était difficile de le rompre. Ces résultats, parus dans la revue Science Advances, suggèrent que le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) de la cristallinité pourrait permettre de moduler ses propriétés mécaniques.

Depuis sa découverte en 2004, le graphène intéresse tout particulièrement la communauté scientifique pour deux principales raisons. Il pourrait constituer une nouvelle génération de transistors ultra rapides de dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une...) nanométrique et il possède une résistance à la rupture en traction 200 fois supérieure à celle de l'acier alors qu'il est six fois plus léger. C'est cette propriété qui a attiré l'attention des chercheurs du Laboratoire des composites thermostructuraux, qui ont travaillé en partenariat avec l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) des sciences moléculaires de Bordeaux, le Massachusetts institute of technology (Le Massachusetts Institute of Technology ou MIT, en français Institut de technologie du...) de Boston (Etats-Unis d'Amérique) et l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Cuernavaca (Mexique).

Le graphène produit par dépôt chimique à partir de la phase vapeur (CVD), est obtenu sous forme polycristalline: il possède des domaines réguliers (cristallins) séparés par des "joints de grain" (défauts). Il peut ensuite être recuit: plus le temps de recuit augmente, plus les cristallites grossissent et moins le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) présente de défauts. Ses propriétés changent également en fonction des conditions de recuit. Les auteurs ont ainsi tenté de corréler la densité de défauts aux propriétés mécaniques. Pour cela, ils ont réalisé des simulations de dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...) moléculaire sur une série de structures modèles de graphènes, obtenues par une simulation de recuit à haute température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...). Contrairement à toute attente, ils ont montré que moins le composé présentait de défauts, plus il était facile de le rompre. Cette propriété provient de l'aptitude de ce matériau à former de nombreuses nano-fissures stables et réversibles lorsque la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) est relâchée: ce sont de véritables "pré-fissures". La présence de défauts empêche les nanofissures de se propager retardant (Un retardant est un produit chimique destiné à freiner la propagation des incendies .) ainsi la rupture du graphène.

Ces résultats suggèrent que le contrôle de la résistance à la traction du graphène comme pourrait être obtenu en jouant simplement sur la densité de défauts, à l'instar d'autres propriétés mécaniques mieux connues.

Référence:
Antonio Gamboa, Baptiste Farbos, Philippe Aurel, Gérard L. Vignoles & Jean-Marc Leyssale
Mechanism of strength reduction along the graphenization pathway
Science Advances. Vol.1 (n°10), e1501009 - 20 novembre 2015
DOI: 10.1126/sciadv.1501009

Contact chercheur:
Jean-Marc Leyssale, Laboratoire des composites thermostructuraux – Pessac
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