Il est incroyablement solide et possède des propriétés électriques, thermiques, optiques et chimiques uniques, mais à certains égards, la structure bidimensionnelle du graphène le rend en fait un peu comme était le laser dans les années 1960 : une solution à la recherche d’un problème. Pour donner au graphène une nouvelle dimension, une équipe de scientifiques du MIT a développé une version 3D de type éponge qui n’a que 5% de la densité de l’acier, mais qui est dix fois plus résistant.
Le graphène a longtemps fasciné les chercheurs en matériaux, mais sous sa forme normale, il se compose de feuilles planes bidimensionnelles qui sont épaisses d’un simple atome, mais qui peuvent théoriquement s’étendre indéfiniment en largeur et en largeur. Afin de rendre le graphène un matériau d’ingénierie pratique, il doit être transformé en une forme tridimensionnelle, mais jusqu’ici les efforts pour le faire ont été d’un niveau de grandeur plus faible que prévu.
En espérant de meilleures chances de succès, l’équipe du MIT s’est concentrée moins sur le matériau lui-même et plus sur sa configuration géométrique. Pour ce faire, ils ont analysé le comportement du graphène jusqu’au niveau atomique, puis utilisé les données pour créer un modèle mathématique correspondant aux observations. De là, ils ont pu générer des modèles informatiques capables d’imiter les charges dans des tests de traction et de compression.
L’équipe a découvert qu’en comprimant de petits flocons de graphène sous la chaleur et la pression, ils pouvaient créer des structures poreuses stables et résistantes, semblables aux coraux et présentant un rapport surface/volume énorme. Selon l’équipe, ces formes permettent au graphène bidimensionnel de former des structures résistantes de la même manière que les feuilles de papier peuvent être pliées et roulées dans des formes beaucoup plus résistantes, y compris le cylindre et les ondulations, qui peuvent supporter des charges importantes.
À partir de ce point de départ, les modèles imprimés en 3D à haute résolution ont été construits avec du plastique de différentes configurations – semblables aux structures poreuses « de type nerf » appelées gyroïdes que le graphène forme naturellement, même des milliers de fois plus grandes. Selon le MIT, ces formes sont si complexes que l’impression est le seul moyen pratique de les fabriquer. Ces formes ont ensuite été testées pour leur résistance à la traction et la compression, et comparées aux simulations informatiques.
Les essais ont montré que le graphène sous forme 3D peut atteindre une densité de 5 % de l’acier, mais avec dix fois sa résistance. Cependant, les chercheurs ont constaté qu’une grande partie de cela avait plus à voir avec la configuration géométrique que le matériau. Lorsque le graphène a été échangé par des polymères ou des métaux, des gains similaires en force ont été observés.
Ils ont également découvert que certains modèles hypothétiques ne fonctionnaient pas, y compris une structure 3D de graphène qui était plus légère que l’air et pouvait flotter comme un ballon d’hélium, mais que les modèles ont montré que cela s’effondrait sous la pression atmosphérique normale.
L’équipe affirme qu’en plus de créer des structures en graphène 3D, la technologie pourrait être appliquée à d’autres matériaux allant des polymères au béton structurel et non seulement produirait des structures plus puissantes et plus légères, mais avec de meilleures propriétés isolantes. En outre, les structures poreuses pourraient être utilisées dans des systèmes de filtration pour l’eau ou des usines chimiques.
http://news.mit.edu/2017/3-d-graphene-strongest-lightest-materials-0106
