Les chercheurs du MIT conçoivent l'un des matériaux les plus solides et les plus légers

Une équipe de chercheurs du MIT a conçu l'un des matériaux légers les plus solides connus, en comprimant et en fusionnant des flocons de graphène, une forme bidimensionnelle de carbone. Le nouveau matériau, une configuration semblable à une éponge avec une densité de seulement 5 %, peut avoir une résistance 10 fois supérieure à celle de l'acier.

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Dans sa forme bidimensionnelle, le graphène est considéré comme le plus résistant de tous les matériaux connus. Mais jusqu'à présent, les chercheurs ont eu du mal à traduire cette force bidimensionnelle en matériaux tridimensionnels utiles.

Les nouvelles découvertes montrent que l'aspect crucial des nouvelles formes 3D a plus à voir avec leur configuration géométrique inhabituelle qu'avec le matériau lui-même, ce qui suggère que des matériaux solides et légers similaires pourraient être fabriqués à partir d'une variété de matériaux en créant des formes géométriques similaires. fonctionnalités.

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Les résultats sont rapportés aujourd'hui dans la revue Science Advances , dans un article de Markus Buehler, chef du département de génie civil et environnemental (CEE) du MIT et professeur d'ingénierie McAfee ; Zhao Qin, un chercheur scientifique des PECO ; Gang Seob Jung, un étudiant diplômé ; et Min Jeong Kang MEng '16, un récent diplômé.

D'autres groupes avaient suggéré la possibilité de telles structures légères, mais les expériences en laboratoire n'avaient jusqu'à présent pas réussi à correspondre aux prévisions, certains résultats présentant plusieurs ordres de grandeur moins solides que prévu. L'équipe du MIT a décidé de résoudre le mystère en analysant le comportement du matériau jusqu'au niveau des atomes individuels au sein de la structure. Ils ont pu produire un cadre mathématique qui correspond très étroitement aux observations expérimentales.

Les matériaux bidimensionnels - essentiellement des feuilles plates qui n'ont qu'un atome d'épaisseur mais qui peuvent être indéfiniment grandes dans les autres dimensions - ont une résistance exceptionnelle ainsi que des propriétés électriques uniques. Mais en raison de leur extraordinaire finesse, "ils ne sont pas très utiles pour fabriquer des matériaux 3D qui pourraient être utilisés dans des véhicules, des bâtiments ou des appareils", explique Buehler. "Ce que nous avons fait, c'est réaliser le souhait de traduire ces matériaux 2D en structures tridimensionnelles."

L'équipe a pu compresser de petits flocons de graphène en utilisant une combinaison de chaleur et de pression. Ce processus a produit une structure solide et stable dont la forme ressemble à celle de certains coraux et créatures microscopiques appelées diatomées. Ces formes, qui ont une surface énorme proportionnellement à leur volume, se sont avérées remarquablement solides. "Une fois que nous avons créé ces structures 3D, nous voulions voir quelle était la limite - quel est le matériau le plus solide possible que nous puissions produire", explique Qin. Pour ce faire, ils ont créé une variété de modèles 3D et les ont ensuite soumis à divers tests. Dans les simulations informatiques, qui imitent les conditions de chargement dans les essais de traction et de compression effectués dans une machine de chargement en traction, "l'un de nos échantillons a 5% de la densité de l'acier, mais 10 fois sa résistance", explique Qin.

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Buehler dit que ce qui arrive à leur matériau de graphène 3D, qui est composé de surfaces courbes sous déformation, ressemble à ce qui se passerait avec des feuilles de papier. Le papier a peu de résistance sur sa longueur et sa largeur et peut être facilement froissé. Mais lorsqu'il est fabriqué dans certaines formes, par exemple enroulé dans un tube, soudainement la résistance sur la longueur du tube est beaucoup plus grande et peut supporter un poids substantiel. De même, la disposition géométrique des flocons de graphène après traitement forme naturellement une configuration très forte.

Les nouvelles configurations ont été réalisées en laboratoire à l'aide d'une imprimante 3D multimatériaux haute résolution. Ils ont été testés mécaniquement pour leurs propriétés de traction et de compression, et leur réponse mécanique sous chargement a été simulée à l'aide des modèles théoriques de l'équipe. Les résultats des expériences et des simulations correspondaient avec précision.

Les nouveaux résultats plus précis, basés sur la modélisation informatique atomistique de l'équipe du MIT, ont exclu une possibilité proposée précédemment par d'autres équipes : qu'il pourrait être possible de fabriquer des structures de graphène 3D si légères qu'elles seraient en fait plus légères que l'air, et pourrait être utilisé comme remplacement durable de l'hélium dans les ballons. Les travaux en cours montrent cependant qu'à des densités aussi faibles, le matériau n'aurait pas une résistance suffisante et s'effondrerait sous l'effet de la pression atmosphérique environnante.

Mais de nombreuses autres applications possibles du matériau pourraient éventuellement être réalisables, selon les chercheurs, pour des utilisations nécessitant une combinaison de résistance extrême et de légèreté. "Vous pouvez soit utiliser le vrai matériau de graphène, soit utiliser la géométrie que nous avons découverte avec d'autres matériaux, comme les polymères ou les métaux", explique Buehler, pour obtenir des avantages similaires de résistance combinés à des avantages en termes de coût, de méthodes de traitement ou d'autres propriétés matérielles (telles que transparence ou conductivité électrique).

"Vous pouvez remplacer le matériau lui-même par n'importe quoi", déclare Buehler. « La géométrie est le facteur dominant. C'est quelque chose qui a le potentiel de se transférer à beaucoup de choses.

Les formes géométriques inhabituelles que le graphène forme naturellement sous l'effet de la chaleur et de la pression ressemblent à une balle Nerf - ronde, mais pleine de trous. Ces formes, connues sous le nom de gyroïdes, sont si complexes que "les fabriquer en utilisant des méthodes de fabrication conventionnelles est probablement impossible", déclare Buehler. L'équipe a utilisé des modèles imprimés en 3D de la structure, agrandis à des milliers de fois leur taille naturelle, à des fins de test.

Pour la synthèse proprement dite, disent les chercheurs, une possibilité est d'utiliser les particules de polymère ou de métal comme modèles, de les enrober de graphène par dépôt chimique en phase vapeur avant les traitements thermiques et sous pression, puis d'éliminer chimiquement ou physiquement les phases de polymère ou de métal pour laisser 3- D graphène sous forme gyroïde. Pour cela, le modèle de calcul donné dans la présente étude fournit une ligne directrice pour évaluer la qualité mécanique de la sortie de synthèse.

La même géométrie pourrait même être appliquée à des matériaux structurels à grande échelle, suggèrent-ils. Par exemple, le béton d'une structure telle qu'un pont pourrait être fabriqué avec cette géométrie poreuse, offrant une résistance comparable avec une fraction du poids. Cette approche aurait l'avantage supplémentaire de fournir une bonne isolation en raison de la grande quantité d'espace aérien fermé à l'intérieur.

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Parce que la forme est criblée de très petits espaces poreux, le matériau pourrait également trouver une application dans certains systèmes de filtration, pour le traitement de l'eau ou des produits chimiques. Les descriptions mathématiques dérivées par ce groupe pourraient faciliter le développement d'une variété d'applications, selon les chercheurs.

"Il s'agit d'une étude inspirante sur la mécanique de l'assemblage de graphène 3D", déclare Huajian Gao, professeur d'ingénierie à l'Université Brown, qui n'a pas participé à ce travail. "La combinaison de la modélisation informatique avec des expériences basées sur l'impression 3D utilisée dans cet article est une nouvelle approche puissante dans la recherche en ingénierie. Il est impressionnant de voir les lois d'échelle initialement dérivées de simulations à l'échelle nanométrique resurgir dans des expériences à grande échelle grâce à l'impression 3D », dit-il.

Ce travail, dit Gao, "montre une direction prometteuse en réunissant la force des matériaux 2D et la puissance de la conception de l'architecture matérielle".

La recherche a été soutenue par l'Office of Naval Research, l'Initiative de recherche universitaire multidisciplinaire du Département de la défense et le BASF-Centre nord-américain de recherche sur les matériaux avancés.