Des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont produit l'un des matériaux les plus résistants et les plus légers connus en comprimant et en fusionnant des flocons de graphène, une forme bidimensionnelle de carbone. Sa densité calculée n'était que de 5% de la densité de l'acier avec une décuplement de sa résistance. Les travaux correspondants ont été publiés dans la revue Science Advances.
Dans sa forme originale, le graphène est considéré comme le plus résistant de tous les matériaux connus, et ses études théoriques ont commencé à la fin des années quarante du siècle dernier. Il s'agit du premier cristal bidimensionnel au monde obtenu par Andrey Geim et Konstantin Novoselov en 2004 à partir des films de graphite les plus minces sur un substrat de silicium oxydé. Pour cette réalisation, ils ont reçu le prix Nobel de physique six ans plus tard.
Depuis la création du graphène, des méthodes pour sa production à l'échelle industrielle ont été développées. Certains progrès ont déjà été réalisés dans ce domaine, mais il n'a pas encore été possible de le transformer avec succès en une forme tridimensionnelle efficace - des propriétés importantes de ce matériau exceptionnel ont été perdues et sa résistance était de plusieurs ordres de grandeur inférieure aux prévisions.
Pour résoudre ce problème, les ingénieurs du MIT se sont concentrés sur la configuration géométrique requise du graphène en vrac. Ils ont analysé son comportement jusqu'au niveau atomique, puis ont utilisé les données obtenues pour créer un modèle mathématique et une simulation informatique. Les conclusions finales étaient exactement dans la lignée des observations expérimentales, qui ont été initialement réalisées avec des modèles magnifiés mille fois à partir d'autres matériaux, imprimés sur une imprimante 3D haute résolution.
Selon Markus Buehler, responsable du génie civil et environnemental au MIT, les matériaux 2D ne sont généralement pas très utiles pour créer des objets 3D pouvant être utilisés dans la construction de bâtiments. Mais la modélisation informatique a permis de surmonter ce problème et la géométrie est devenue le facteur déterminant du succès.
En conséquence, les chercheurs ont pu créer un matériau poreux solide et stable en comprimant et en chauffant de petits flocons de graphène. Sa structure, qui rappelle certains coraux et diatomées microscopiques, a une énorme superficie par rapport au volume. Il est connu sous le nom de gyroïde - une forme répétitive continue avec une surface minimale triple périodique, décrite par Alan Schoen de la NASA en 1970.
«Les résultats montrent que l'aspect crucial des nouvelles formes tridimensionnelles a plus à voir avec leur configuration géométrique inhabituelle qu'avec le matériau lui-même», a noté au MIT.
Selon les ingénieurs de l'institut, une telle géométrie peut être appliquée même à des matériaux structurels à grande échelle dans la construction, comme le béton. Et cette structure poreuse offrira non seulement une résistance accrue, mais également une bonne isolation thermique grâce à l'air à l'intérieur.
«Vous pouvez soit utiliser du graphène réel comme matériau, soit appliquer la géométrie que nous avons découverte en combinaison avec d'autres matériaux, tels que des polymères ou des métaux», a conclu Markus Buehler.
