Un matériau carboné 2D aussi solide que le graphène et huit fois plus robuste

Les matériaux 2D ont permis de nombreuses innovations. Que ce soit dans la rapidité et l’efficacité de l’électronique, le stockage d’énergie à haute capacité, les capteurs avancés ou encore les technologies portables. Reste que ces matériaux ont une faiblesse : leur fragilité. Des matériaux dérivés du carbone comme le graphène ont beau compter parmi les plus solides au monde, ils présentent une extrême faiblesse au niveau de la résistance à la fracture. Une fois que des fissures y apparaissent, elles s’y propagent rapidement, menant finalement à une fracture soudaine. Le graphène se compose d’atomes de carbone rangés dans une matrice hexagonale ordonnée, dite cristalline. Pour rendre de tels matériaux plus robustes, deux voies s’offrent aux chercheurs : le « renforcement extrinsèque », ou le « renforcement intrinsèque ».

Un matériau amorphe des plus robustes

Le « renforcement extrinsèque » consiste à ajouter des nanostructures en soutien, quand le « renforcement intrinsèque » vise plutôt à introduire des modifications au sein même du plan du matériau. C’est cette dernière piste que des scientifiques de l’université Rice de Houston (Texas, États-Unis) et leurs collaborateurs ont choisi d’explorer… Avec succès ! Bongki Shin, étudiant diplômé en nanoingénierie et en science des matériaux de l’université Rice, est le premier auteur de cette nouvelle étude parue dans le journal Matter le 13 février 2025. Avec ses collègues, il s’est évertué à incorporer dans une monocouche de carbone amorphe (sans structure cristalline) à la fois des régions amorphes et nanocristallines. L’idée étant de fournir de la robustesse en plus de la grande solidité d’un matériau comme le graphène.

Pour mesurer quantitativement la qualité de leur matériau 2D, Bongki Shin et ses collaborateurs ont réalisé des tests de traction in situ sous un microscope électronique à balayage. Cela leur a permis d’observer dans le détail la formation et la propagation des fissures en temps réel. Ce travail a révélé un taux de libération d’énergie chez le nouveau matériau près de huit fois supérieur à celui mesuré dans le cas d’une monocouche de graphène. Les scientifiques ont également noté une amélioration dans la stabilisation des fissures et la déformation au niveau de la fracture. Il en résulte une meilleure absorption de l’énergie par le matériau au cours de la propagation d’une fissure, ce qui expliquerait le caractère à la fois solide et robuste de ce dérivé du carbone.