Le graphène est le matériau le plus solide au monde, selon de nouvelles expériences effectuées par des chercheurs aux Etats-Unis. Le secret de cette force extraordinaire se situe dans la robustesse de la liaison covalente carbone-carbone et provient également de l'absence de défaut dans les échantillons de graphène testés.
Vue d'artiste du creux créé dans une feuille de graphène de l'épaisseur d'un atome
par la pointe en diamant d'un microscope à force atomique
Depuis sa découverte en 2004, "ce matériau merveilleux" constitué de feuilles de carbone épaisse d'un atome seulement, s'est révélé un excellent conducteur électrique, semi-conducteur pouvant être utilisé pour fabriquer des transistors et un matériau extrêmement solide. Il est désormais prouvé, grâce aux études de James Hone, Jeffrey Kysar, Changgu Lee et Xiaoding Wei de l'Université de Columbia, que c'est même le plus solide d'entre tous.
Les chercheurs ont mesuré la rigidité intrinsèque du matériau, c'est-à-dire la tension maximum qu'un matériau pur (sans défaut) peut supporter juste avant que tous les atomes d'une section transversale donnée ne se désolidarisent d'un coup.
Tous les matériaux contiennent des défauts, telles que des fissures ou des déchirures microscopiques, qui sont des éléments plus "faibles" que le matériau environnant. L'effort de rupture d'un matériau macroscopique dépend principalement du nombre et de la taille de ces défectuosités, plutôt que de sa solidité intrinsèque.
L'expérience
Les chercheurs ont "exfolié" un échantillon de graphite en couches atomiques à l'aide de ruban adhésif transparent (la façon la plus usuelle de préparer du graphène monocouche). Ils ont ensuite placé les paillettes obtenues au-dessus d'une série de trous sur un
wafer (disque) de silicium, un peu comme on étale un film de plastique sur un moule à muffins (minuscule dans ce cas !) ; chaque trou mesurant 1 ou 1,5 micron.
Les scientifiques ont alors creusé le film de graphène à l'aide de la pointe en diamant (20 nm de rayon) d'un microscope à de force atomique (les pointes conventionnelles en silicium se seraient brisées bien avant le graphène).
La réaction force-déplacement a permis aux chercheurs de déterminer les propriétés élastiques du film. La force atteinte lorsque le film se casse et la distribution statistique de la force de rupture lors d'expériences répétées leur ont permis de calculer la solidité intrinsèque du matériau.
Hors-normes
"La solidité du graphène est littéralement hors-normes comparée à celle d'autres classes de matériaux", a commenté J. Hone. "Ceci, grâce aux liaisons covalentes carbone-carbone mais aussi à l'absence de défaut dans les zones stressées des films de graphène."
Les monocouches utilisées dans les expériences sont sans défaut parce qu'elles sont extrêmement petites, ce qui exclut la présence d'imperfections et c'est une condition qui ne peut être satisfaite pour les matériaux macroscopiques. Etant donné la solidité connue des liaisons carbone-carbone (qui permettent également la production de matériaux haute performance en fibres de carbone d'une dureté et d'un solidité remarquables), il n'est pas déraisonnable de prétendre que le graphène pur est le matériau le plus solide, selon J. Kysar.
"La solidité intrinsèque du graphène peut être considérée comme une 'limite supérieure', un peu comme l'est le diamant pour la dureté", ajoute J. Hone. "Pour fixer les idées, si un film transparent très fin (d'une épaisseur standard d'environ 100 microns) devait avoir la même solidité que le graphène pur, il faudrait une force de plus de 20 000 newtons pour le crever à l'aide d'un crayon, ce qui correspond à la force exercée par une masse de 2 tonnes (une grosse voiture)."