Une nanostructure de carbone plus dure que le diamant tout en étant bien moins dense
Le diamant est l’un des matériaux les plus durs sur Terre et constitue la référence pour de nombreuses recherches dans le domaine de la science des matériaux. Des ingénieurs travaillent à la création de nouvelles structures résistantes qui peuvent surpasser ce que la nature a de mieux à offrir. Une équipe de l’université de Californie à Irvine (UCI/ Etats-Unis) a maintenant créé un réseau de carbone à l’échelle nanométrique qui présente un rapport résistance-densité bien plus élevé que celui du diamant.
Image d’entête : la structure en treillis nanométrique à base de plaques développée par les scientifiques de l’université de Californie, Irvine Cameron Crook et Jens Bauer / UCI
La nouvelle structure développée par l’équipe de recherche de l’UCI est ce qu’on appelle une structure “nano-lattice” (anglais : Nanolattice). Ces structures poreuses sont constituées d’entretoises et d’armatures en carbone (tout comme les diamants eux-mêmes), qui sont disposées en un réseau tridimensionnel offrant un excellent rapport résistance-densité.
Depuis des décennies, ces nano-lattices sont basés sur une structure qui utilise des armatures disposées de manière cylindrique. Les chercheurs de l’UCI attribuent leur découverte à une entorse à cette méthode “traditionnelle”, en utilisant une série de plaques à la place.
Selon Jens Bauer, un chercheur de l’UCI en ingénierie mécanique et aérospatiale :
Les précédentes conceptions basées sur des faisceaux, bien que d’un grand intérêt, n’avaient pas été aussi efficaces en termes de propriétés mécaniques. Cette nouvelle classe de plaques-nanolattices que nous avons créée est considérablement plus résistante et plus rigide que les meilleurs faisceaux-nanolattices.
Si ces types de structures nano-nanolattice à base de plaques ont été théorisés pour offrir une résistance supérieure à d’autres modèles, leur fabrication n’a pas été aussi facile.
Les chercheurs ont utilisé une technique d’impression 3D complexe, où un laser est focalisé à l’intérieur d’une gouttelette de résine liquide sensible à la lumière ultraviolette. La résine se transforme ainsi en un polymère solide, qui peut ensuite être transformé en plaques microscopiques d’une épaisseur de 160 nanomètres. De minuscules trous dans les plaques permettent d’éliminer l’excès de résine du produit fini, qui est ensuite soumis à une pyrolyse lorsqu’il est chauffé à 900 °C sous vide pendant une heure.
Selon les expériences de l’équipe, la nano-lattice de carbone qui en résulte a amélioré la résistance moyenne des architectures cylindriques à base de faisceaux jusqu’à 639 % et a augmenté la rigidité moyenne de 522 %.
Selon Lorenzo Valdevit, professeur de science et d’ingénierie des matériaux à l’UCI :
Alors que la performance théorique de ces structures avait été prédite auparavant, nous avons été le premier groupe à valider expérimentalement qu’elles pouvaient fonctionner aussi bien que prévu, tout en démontrant un matériau architecturé aux performances mécaniques sans précédent.
L’un des domaines dans lesquels les chercheurs pensent que ce genre de nanoparticules pourraient faire une réelle différence est l’aérospatiale, où les ingénieurs sont continuellement à la recherche de matériaux de faible densité pouvant offrir une grande résistance.
L’étude publiée dans Nature Communications : Plate-nanolattices at the theoretical limit of stiffness and strength et présentée sur le site de l’université de Californie à Irvine : UCI-led team designs carbon nanostructure stronger than diamonds.