Il est courant d’étirer un ballon pour le rendre plus facile à gonfler. Lorsque le ballon s’étire, sa largeur se réduit transversalement à la taille d’une ficelle. Noah Stocek, titulaire d’un doctorat. étudiant en collaboration avec le physicien occidental Giovanni Fanchini, a développé un nouveau nanomatériau qui démontre le contraire de ce phénomène.
Travaillant à Interface Science Western, siège de l’accélérateur Tandetron, Stocek et Fanchini ont formulé des nanofeuilles bidimensionnelles de semi-carbure de tungstène (ou W2C, un composé chimique contenant des parts égales d’atomes de tungstène et de carbone), qui, lorsqu’elles sont étirées en un seul bloc. direction, se dilate perpendiculairement à la force appliquée. Cette conception structurelle est connue sous le nom d’auxétique.
Le problème est que la structure de la feuille nanométrique elle-même n’est pas plate. Les atomes de la feuille sont constitués d’unités répétitives constituées de deux atomes de tungstène pour chaque atome de carbone, disposés métaphoriquement comme la surface alvéolée d’une boîte à œufs. À mesure que la tension est appliquée sur la nanofeuille élastique dans une direction, elle s’étend dans l’autre dimension à mesure que les alvéoles s’aplatissent.
Avant cette innovation, il n’existait qu’un seul matériau capable de s’étendre de 10 % par unité de longueur de cette manière contre-intuitive. La nanofeuille de semi-carbure de tungstène de conception occidentale peut s’étendre jusqu’à 40 %, un nouveau record mondial.
« Nous cherchions spécifiquement à créer un nanomatériau bidimensionnel à partir de semi-carbure de tungstène », a déclaré Stocek. « En 2018, les théoriciens prédisaient qu’il pourrait présenter ce comportement à un excellent niveau, mais personne n’a été capable de le développer, malgré les efforts considérables déployés par des groupes de recherche du monde entier. »
Il n’a pas été possible de construire le nouveau nanomatériau semi-carbure de tungstène par des moyens chimiques. Stocek et Fanchini se sont donc appuyés sur la physique des plasmas pour former les couches d’un seul atome. Constitué de particules d’atomes chargées, le plasma est le quatrième état de la matière (avec le solide, le liquide et le gaz). Le plasma peut être observé dans le monde naturel dans les aurores boréales, ou aurores boréales, et dans la couronne solaire lors de la récente éclipse solaire. Il est également utilisé dans l’éclairage au néon, les tubes fluorescents et les téléviseurs à écran plat.
Généralement, les instruments utilisés pour fabriquer des nanomatériaux bidimensionnels sont des fours spéciaux dans lesquels les gaz sont chauffés à une température suffisamment élevée pour réagir et former chimiquement la substance souhaitée. Cette approche n’a tout simplement pas fonctionné car toute réaction chimique, le processus le plus courant, conduirait à un produit différent du nanomatériau souhaité.
« C’est là que la plupart des chercheurs qui ont essayé d’obtenir ce matériel avant nous se sont retrouvés bloqués, nous avons donc dû pivoter », a déclaré Fanchini.
Au lieu de chauffer un gaz composé d’atomes de tungstène et de carbone dans des fours, ce qui produirait des particules neutres comme celles que l’on obtiendrait pour des solides, des liquides ou des gaz, Stocek et Fanchini ont conçu une nouvelle instrumentation personnalisée qui produit un plasma composé d’éléments électriques. particules chargées.
Le dépassement des objectifs
Il existe d’innombrables applications possibles pour ces nanofeuilles du W2C, à commencer par un nouveau type de jauge de contrainte. Ces jauges disponibles dans le commerce constituent un moyen standard de mesurer l’expansion et l’étirement de tout, des ailes d’avion à la plomberie domestique.
« Imaginez si vous voulez savoir si un tuyau de votre maison se déforme et risque d’éclater à un moment donné. Vous pouvez coller un capteur sur le tuyau fabriqué à partir de ce nanomatériau bidimensionnel, puis utiliser un ordinateur pour surveiller le courant qui le traverse. Si le courant augmente, cela signifie que le tuyau se dilate et risque d’éclater », a expliqué Stocek.
Le nouveau nanomatériau, en fait, devient plus conducteur d’électricité, ce qui ouvre la porte à des possibilités infinies d’utilisation dans des éléments tels que des capteurs ou tout autre appareil qui détecte des événements ou des changements dans l’environnement et envoie les informations à d’autres appareils électroniques. Une autre application consiste à intégrer le matériau directement dans des composants électroniques extensibles, comme la technologie portable, afin qu’ils aient plus de conductivité.
« Normalement, les jauges de contrainte s’appuient sur le fait que lorsque vous étirez un matériau, il s’amincit et que vous modifiez la conductivité d’un matériau pour transporter un courant », a déclaré Fanchini. « Avec ce nouveau nanomatériau, ce ne serait plus le cas. »
Les résultats sont publié dans la revue Horizons Matériaux.
Plus d’information:
Noah B. Stocek et al, Comportement auxétique géant dans le semicarbure de tungstène à quelques couches synthétisé par plasma à distance, Horizons Matériaux (2024). DOI : 10.1039/D3MH02193A