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Un aérogel en graphène capable de supporter plus de 6000 fois son propre poids

Crédits : American Chemical Society

Plus fort, plus mince, plus souple, une équipe de chercheurs annonce avoir créé un aérogel en graphène capable de supporter plus de 6000 fois son propre poids et imitant la structure d’une tige végétale.

La course au matériau le plus léger du monde bat son plein. Elle fit une avancée significative depuis la création de l’aérogel en 1931, puis de l’aérographite en 2012. Mais c’est désormais l’aérogel de graphène qui détient la palme du composant le plus léger au monde. Ne pesant que 0,16 milligramme par centimètre cube, ce nouvel aérogel serait 7,5 fois plus léger que l’air et environ 1000 fois moins dense que l’eau selon les chercheurs qui le considèrent aujourd’hui comme l’un des matériaux le plus solides et les plus légers sur Terre. « Apprendre de la nature offre toujours de nouvelles idées pour développer de nouveaux matériaux et de nouvelles technologies », explique Hao Bai, ingénieur à l’Université de Zhejiang en Chine. « Notre aérogel graphène est différent des aérogels actuels dans les microstructures et les propriétés ».

Les aérogels s’avèrent déjà utiles pour une grande variété d’applications, que ce soit pour le confinement et le nettoyage des marées noires ou la création de batteries à haute énergie. Les chercheurs ont même réussi à convertir la lumière du soleil en vapeur d’eau à température ambiante à l’aide d’un aérogel graphène, ce qui permet de transformer les eaux usées en eau potable. Mais ce que veulent aujourd’hui les opérants, ce sont des matériaux solides, certes, légers, aussi, mais aussi résilients. Comme le rappelle Hao Bai, « la force et la résilience sont généralement mutuellement exclusives dans les aérogels réguliers. Il existe une forte demande d’aérogels solides et résilients dans de nombreux domaines importants, mais il est très difficile d’obtenir ces deux propriétés ».

Au cours de ces dernières années, les chercheurs ont tenté de combiner les deux propriétés par l’utilisation de l’impression 3D et la lyophilisation. Le problème avec ces processus est qu’ils ne produisent que des aérogels de graphène avec une structure architecturale aléatoire ne garantissant ni la robustesse ni la résilience recherchées. En se tournant vers la Nature, on constate alors que le secret de la force et de la flexion de certains matériaux poreux comme les tiges végétales résulte de la façon dont le matériau est disposé à l’échelle nanométrique. Même si le matériau lui-même est faible et poreux, l’arrangement hautement organisé du matériau le rend fort et flexible.

Bai et sont équipe se sont alors tournés vers Thalia dealbata, une plante aquatique. Même s’il est vrai que la tige de cette plante est mince et poreuse, elle peut en revanche supporter la pression de puissants courants grâce à sa microstructure en forme de grille. L’équipe a donc tenté d’imiter son architecture dans l’aérogel graphène.

Ils ont tout d’abord dispersé des particules d’oxyde de graphène dans l’eau. Vous obtenez alors de feuilles lorsque le liquide se fige. Une fois complètement « gelées », les feuilles d’oxyde de graphène forment un réseau tridimensionnel similaire à la structure des cristaux de glace. Enfin, la réduction thermique et la sublimation ont produit un airgel de graphène imitant parfaitement la structure nanométrique de la tige de Thalia dealbata. Les chercheurs ont ensuite soumis l’aérogel à une série de tests de compression pour évaluer sa force et sa résilience. Après 1 000 cycles compressifs, les chercheurs ont découvert que l’aérogel était capable de supporter plus de 6 000 fois son propre poids et de revenir à son état d’origine. Après 1 000 cycles de compressions, le matériau avait conservé 85 % de sa résistance. Les architectures aléatoires, elles, ne conservent que 45 % de leur force d’origine après seulement 10 cycles de compression.

En plaçant l’aérogel dans un circuit avec une LED, les chercheurs ont également constaté que celui-ci restait conducteur même sous la force de compression. Solide, résilient et conducteur, les applications pourraient être énormes. Cet aérogel se présenterait alors comme un composant idéal dans l’électronique flexible comme les fenêtres intelligentes, les écrans de télévision courbés ou les panneaux solaires imprimables. Ou comment imiter la Nature avec des approches synthétiques.

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