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Le matériau le plus résistant jamais testé
Les scientifiques des matériaux chantent les louanges du graphène depuis qu'il a été isolé pour la première fois en 2005. Les feuilles de carbone d'une épaisseur d'un atome conduisent mieux les électrons que le silicium et ont été transformées en transistors rapides de faible puissance. Aujourd'hui, pour la première fois, des chercheurs ont mesuré la force intrinsèque du graphène et ont confirmé qu'il s'agissait du matériau le plus résistant jamais testé. Cette découverte fournit de bonnes preuves que les transistors au graphène pourraient absorber la chaleur des futurs microprocesseurs ultrarapides.
Matériau le plus solide : En enfonçant une sonde en diamant pointue dans le graphène jusqu'à ce qu'elle se brise, les chercheurs ont établi que le matériau était le plus résistant jamais testé. Cette image, une illustration, montre la structure atomique du graphène, qui a une épaisseur d'un atome et se compose de carbone et d'hydrogène disposés dans un maillage en fil de fer.
Jeffrey Kysar et James Hone , professeurs de génie mécanique à l'Université Columbia, ont testé la force du graphène au niveau atomique en mesurant la force qu'il a fallu pour le briser. Ils ont creusé des trous d'un micromètre de large dans une plaquette de silicium, placé un échantillon parfait de graphène sur chaque trou, puis indenté le graphène avec une sonde pointue en diamant. De telles mesures n'avaient jamais été prises auparavant car elles doivent être effectuées sur des échantillons parfaits de graphène, sans déchirures ni atomes manquants, disent Kysar et Hone.
Hone compare son test à l'étirement d'un morceau de film plastique sur le dessus d'une tasse à café et à la mesure de la force nécessaire pour le percer avec un crayon. S'il pouvait obtenir un morceau de matériau suffisamment grand pour le recouvrir d'une tasse à café, dit-il, le graphène serait suffisamment solide pour supporter le poids d'une voiture en équilibre sur le crayon.
Il est peu probable que l'incroyable force du graphène soit utilisée dans une telle tâche. Au niveau macroscopique des tasses à café et des voitures, tout matériau sera plein de fissures et de défauts, explique Kysar. C'est au niveau de ces fissures et défauts que les ailes d'avion et les supports de pont échouent. Seul un petit échantillon peut être parfait et super fort, dit Hone.
Cependant, les mesures sont encore une autre démonstration des propriétés remarquables du graphène. Nous savions que le graphène était le matériau le plus résistant ; ce travail le confirme, dit Constantin Novoselov , un membre de l'Université de Manchester, qui a été le premier à isoler des feuilles bidimensionnelles du matériau.
La résistance du matériau est une bonne nouvelle pour les acteurs de l'industrie des semi-conducteurs qui espèrent rendre les ordinateurs plus rapides en développant des microprocesseurs utilisant des transistors au graphène. La principale responsabilité de l'industrie de la micro-transformation est la tension, selon Julia Greer , un scientifique des matériaux à Caltech. Non seulement les matériaux utilisés pour fabriquer les transistors doivent avoir de bonnes propriétés électriques, mais ils doivent également pouvoir résister aux contraintes des processus de fabrication et à la chaleur générée par les opérations répétées. Les processus utilisés pour modeler les connexions électriques métalliques sur les microprocesseurs, par exemple, exercent des contraintes qui peuvent provoquer la défaillance des puces. Et, dit Greer, le principal obstacle à la fabrication de microprocesseurs plus rapides est que la chaleur est trop importante pour les matériaux. Sur la base des mesures de sa force, les transistors au graphène pourraient supporter la chaleur.
Le graphène est la pierre angulaire de plusieurs autres nanostructures tridimensionnelles composées de carbone, notamment les nanotubes et les buckyballs, des molécules creuses en forme de ballon de football. En théorie, un nanotube est du graphène enroulé, il devrait donc avoir la même résistance, explique Hone. En réalité, cependant, la plupart des nanotubes ont de minuscules défauts – un atome manquant ici ou là. Lorsque vous tirez sur un nanotube, dit Hone, il se brise à n'importe quel endroit où il y a un défaut.
La résistance mécanique du graphène à l'échelle nanométrique pourrait s'avérer utile pour des applications autres que les transistors pour microprocesseurs. Le matériau pourrait, par exemple, servir d'interrupteur électrique durable à commande mécanique pour les appareils de communication, y compris les téléphones portables et les radars avancés, explique Kysar.
Bien que la plupart des recherches sur les nanomatériaux se soient concentrées sur leurs propriétés électriques, optiques et chimiques, les propriétés mécaniques contrôlent plus qu'il n'y paraît, dit Greer. Les bases de données existantes sur la résistance des matériaux ne tiennent pas compte des différences de résistance à l'échelle nanométrique. Mais maintenant, au moins, les chercheurs qui testent la résistance des nanomatériaux auront un record à atteindre.