Une nouvelle méthode utilisant des structures de rotaxane pour réticuler les couches de graphène améliore la flexibilité, la résistance et la conductivité des films de graphène, avec des applications potentielles dans les outils électroniques et mécaniques avancés. Crédit : Issues.fr.com
Les nanocouches de graphène sont réticulées avec des rotaxanes.
Le graphène, composé de couches d'atomes de carbone disposées en nid d'abeilles, est reconnu comme un supermatériau en raison de sa conductivité exceptionnelle et de ses avantages mécaniques. Ces propriétés sont essentielles au progrès de l’électronique flexible, des batteries innovantes et des matériaux composites pour les applications aérospatiales. Malgré ces avantages, la création de films élastiques et durables s’avère difficile. Dans une édition récente de Chimie appliquéeles chercheurs ont proposé une solution en connectant graphène nanocouches grâce à des structures de pont extensibles, surmontant potentiellement les limitations précédentes.
Les capacités particulières des nanocouches microscopiques de graphène diminuent souvent lorsque les couches sont assemblées en feuilles, car elles ne sont maintenues ensemble que par des interactions relativement faibles, principalement des liaisons hydrogène. Les approches visant à améliorer les propriétés mécaniques des feuilles de graphène en introduisant des interactions plus fortes n'ont été que partiellement couronnées de succès, laissant une marge particulière pour améliorer l'extensibilité et la résistance des matériaux.
Technique de réticulation innovante
Une équipe dirigée par Xuzhou Yan de l’Université Jiao Tong de Shanghai (Chine) a adopté une nouvelle approche : elle a réticulé des nanocouches de graphène avec des molécules mécaniquement imbriquées dont les éléments constitutifs ne sont pas liés chimiquement, mais plutôt inséparables dans l’espace. Les chercheurs ont choisi d’utiliser les rotaxanes comme liens. Un rotaxane est une « roue » (une grosse molécule en forme d’anneau) qui est « enfilée » sur un « axe » (une chaîne moléculaire). Les groupes volumineux coiffent les essieux pour éviter que les roues ne se défilent. L'équipe a construit son essieu avec un groupe chargé (ammonium) qui maintient la roue dans une position spécifique.
Une « ancre » moléculaire (groupe OH) a été fixée à la fois à l’essieu et à la roue par un liant. Le graphène a été oxydé pour produire de l’oxyde de graphène, qui forme une variété de groupes contenant de l’oxygène des deux côtés de la couche de graphène. Il s’agit notamment de groupes carboxyles, qui peuvent se lier aux groupes OH (estérification). Cette réaction permet à la roue et à l’essieu de réticuler les couches, après quoi l’oxyde de graphène est réduit en graphène.
Lorsque ces films sont étirés ou pliés, les forces d'attraction entre la roue et le groupe ammonium sur l'essieu doivent être surmontées, ce qui augmente la résistance à la traction. Une contrainte accrue finit par tirer l'essieu à travers la roue jusqu'à ce qu'il « heurte » l'embout. Ce mouvement allonge les ponts en rotaxane, permettant aux couches de glisser les unes sur les autres, ce qui augmente considérablement l'extensibilité du film.
Les électrodes flexibles fabriquées à partir de cette feuille de graphène-rotaxane peuvent être étirées jusqu'à 20 % ou pliées à plusieurs reprises sans être endommagées. Elles conservent également leur conductivité électrique élevée. Seul un étirement de plus de 23 % entraîne une fracture. Les nouvelles feuilles sont considérablement plus résistantes que les feuilles sans rotaxanes (247,3 contre 74,8 MPa), ainsi que plus élastiques (23,6 contre 10,2 %) et plus résistantes (23,9 contre 4,0 MJ/m3). L’équipe a également construit un simple « outil de préhension » doté de joints mécaniques équipés et actionnés par les nouveaux foils.
L'étude a été financée par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, la Fondation des sciences naturelles de Shanghai, le programme Shuguang de la Fondation pour le développement de l'éducation de Shanghai et la Commission municipale de l'éducation de Shanghai, ainsi que le Fonds scientifique Starry Night de l'Institut d'études avancées de Shanghai de l'Université du Zhejiang.