Le graphène se développe - et nous pouvons le voir

28.03.2023 - Pays-Bas

Le graphène est le plus solide de tous les matériaux. En outre, il possède une capacité exceptionnelle à conduire la chaleur et les courants électriques, ce qui en fait l'un des matériaux les plus spéciaux et les plus polyvalents que nous connaissions. Pour toutes ces raisons, la découverte du graphène a été récompensée par le prix Nobel de physique en 2010. Pourtant, de nombreuses propriétés de ce matériau et de ses cousins sont encore mal comprises, pour la simple raison que les atomes qui le composent sont très difficiles à observer. Une équipe de chercheurs de l'université d'Amsterdam et de l'université de New York a trouvé un moyen surprenant de résoudre ce problème.

Les matériaux bidimensionnels, constitués d'une seule couche hypermince de cristal atomique, ont récemment fait l'objet d'une grande attention. Cette attention bien méritée est principalement due à leurs propriétés inhabituelles, très différentes de celles de leurs homologues tridimensionnels "en vrac". Le graphène, le représentant le plus célèbre, et de nombreux autres matériaux bidimensionnels font aujourd'hui l'objet de recherches intensives en laboratoire. Il est peut-être surprenant de constater que les défauts, c'est-à-dire les endroits où la structure cristalline n'est pas parfaite, jouent un rôle crucial dans les propriétés particulières de ces matériaux. L'arrangement ordonné de la couche d'atomes y est perturbé et la coordination des atomes est modifiée localement.

Visualiser les atomes

Bien qu'il ait été démontré que les défauts jouent un rôle crucial dans les propriétés d'un matériau et qu'ils soient presque toujours présents ou ajoutés volontairement, on ne sait pas grand-chose de leur formation et de leur évolution dans le temps. La raison en est simple : les atomes sont trop petits et se déplacent trop vite pour qu'on puisse les suivre directement.

En utilisant des protéines biomimétiques dessinées sur des dents annulaires de calmar, les chercheurs ont créé des matériaux composites stratifiés en 2D qui sont résistants à la rupture et extrêmement extensibles.

Une protéine bioinspirée crée des matériaux stratifiés 2D extensibles

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Afin de rendre observables les défauts des matériaux semblables au graphène, l'équipe de chercheurs de l'Institut de physique de l'UvA et de l'Université de New York a trouvé un moyen de construire des modèles de graphène atomique de la taille d'un micromètre. Pour ce faire, ils ont utilisé ce que l'on appelle des "particules patchy". Ces particules - suffisamment grandes pour être facilement visibles au microscope, mais assez petites pour reproduire de nombreuses propriétés des atomes réels - interagissent avec la même coordination que les atomes du graphène et forment la même structure. Les chercheurs ont construit un système modèle et l'ont utilisé pour comprendre les défauts, leur formation et leur évolution dans le temps. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Nature Communications.

Construction du graphène

Le graphène est constitué d'atomes de carbone ayant chacun trois voisins, disposés selon la structure bien connue du "nid d'abeille". C'est cette structure particulière qui confère au graphène ses propriétés mécaniques et électroniques uniques. Pour obtenir la même structure dans leur modèle, les chercheurs ont utilisé de minuscules particules de polystyrène, décorées de trois plaques encore plus minuscules d'un matériau connu sous le nom de 3-(triméthoxysilyl)propyl - ou TPM en abrégé. La configuration des plaques de TPM imite la coordination des atomes de carbone dans le réseau de graphène. Les chercheurs ont ensuite rendu les patchs attractifs afin que les particules puissent former des liens entre elles, toujours par analogie avec les atomes de carbone du graphène.

Après avoir été laissées à elles-mêmes pendant quelques heures, les particules de "simili-carbone" ont été observées au microscope et se sont avérées former un réseau en nid d'abeilles. Les chercheurs ont ensuite examiné plus en détail les défauts dans le réseau de graphène modèle. Ils ont observé que le modèle fonctionnait également à cet égard : il présentait des motifs de défauts caractéristiques qui sont également connus pour le graphène atomique. Contrairement au graphène réel, l'observation directe et le long temps de formation du modèle ont permis aux physiciens de suivre ces défauts depuis le début de leur formation jusqu'à leur intégration dans le réseau.

Des résultats inattendus

Ce nouveau regard sur la croissance des matériaux semblables au graphène a immédiatement permis d'acquérir de nouvelles connaissances sur ces structures bidimensionnelles. De manière inattendue, les chercheurs ont découvert que le type de défaut le plus courant se forme déjà au tout début de la croissance, lorsque le réseau n'est pas encore établi. Ils ont également observé comment la mauvaise adaptation du réseau est ensuite "réparée" par un autre défaut, ce qui conduit à une configuration de défaut stable, qui demeure ou ne se rétablit que très lentement jusqu'à ce que le réseau soit plus parfait.

Ainsi, le système modèle permet non seulement de reconstruire le réseau de graphène à plus grande échelle pour toutes sortes d'applications, mais les observations directes permettent également de comprendre la dynamique atomique dans cette classe de matériaux. Les défauts étant au cœur des propriétés de tous les matériaux atomiquement minces, ces observations directes dans les systèmes modèles permettent de perfectionner les contreparties atomiques, par exemple pour des applications dans les matériaux ultralégers et les dispositifs optiques et électroniques.

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.