Un nouveau record du monde pour un matériau ultra-léger

Un réseau en trois dimensions de tubes de carbone poreux imbriqués au niveau micro et nano : c’est le matériau le plus léger au monde. Il ne pèse que 0,2 milligramme par centimètre cube, et est donc 75 fois plus léger que styromousse, mais il est néanmoins très résistant. Les scientifiques de l’Université de Kiel (KU) et de la Hamburg University of Technology (TUHH) ont appelé leur création commune ‘Aérographite’. Les résultats scientifiques ont été publiés à la Une du numéro du 3 juillet de la revue scientifique ‘Advanced Materials’.

 

Les propriétés du matériau

Il est noir, reste stable, est électriquement conducteur, ductile et non-transparent. Avec ses propriétés uniques et sa densité très faible en base carbone, l’Aérographite surpasse clairement tous les matériaux similaires. « Notre travail est à l’origine de grandes discussions dans la communauté scientifique. Le poids de l’Aérographite est quatre fois inférieur au record du monde porté à ce jour », explique Matthias Mecklembourg, co-auteur et étudiant-doctorant à l’TUHH. Jusqu’à présent, le matériau le plus léger du monde était un matériau de nickel qui a été présenté au public il y a six mois, également construit avec de minuscules tubes. Seulement, le nickel a une masse atomique plus élevée que le carbone. « En outre, nous sommes en mesure de produire des tubes à parois poreuses. Cela les rend extrêmement légers », ajoute Arnim Schuchard, co-auteur et étudiant-doctorant à l’université de Kiel. Le Professeur Lorenz Kienle et le Dr Andriy Lotnyk étaient en mesure de décoder la structure atomique du matériau à l’aide d’un microscope électronique à transmission (TEM).

En dépit de sa faible masse, l’Aérographite est très résistant. Bien que les matériaux légers résistent normalement à la compression, mais pas à la tension, l’Aérographite comporte à la fois : une excellente compression et charge de tension.

« Il est capable d’être comprimé jusqu’à 95 % et être étiré dans sa forme originale sans aucun dommage », a expliqué le Professeur Rainer Adelung de l’Université de Kiel. « Jusqu’à un certain point, l’Aérographite deviendra encore plus solide et donc plus fort qu’avant », souligne-t-il. D’autres matériaux deviennent plus faibles et moins stables lorsqu’ils sont exposés à un tel stress. « Aussi, le matériel nouvellement construit absorbe les rayons lumineux presque complètement. On pourrait dire, il crée le noir le plus noir », reconnaît le professeur Karl Hambourg Schulte.

L’Aérographite est hydrofuge, noir (en cours d’analyse) et électriquement conducteur. © KU

 
Les très petites masses de l’Aérographite permettent des changements rapides de direction. Il se dresse dans une position droite, saute sur le pôle plastique et retourne sur la table : l’Aérographite se charge électriquement au pôle et l’émet à la table. © KU

 

 

L’élaboration

« Pensez à l’Aérographite comme une toile de lierre qui s’enroule autour d’un arbre. Et qu’emporte l’arbre », décrit Adelung pour expliquer le processus de fabrication. L’arbre est un modèle soi-disant sacrificiel, un moyen vers une fin. L’équipe de Kiel, composée d’Arnim Schuchardt, Rainer Adelung, Yogendra Mishra et Sören Kaps, a utilisé un oxyde de zinc sous forme de poudre. En le chauffant jusqu’à 900° Celsius, il s’est transformé en une forme cristalline.

Il y a besoin de grimper à 900° C pour produire la base zinc pour l’Aérographite. © CAU, Photo: Stefanie Maack

 
À partir de ce matériau, les scientifiques de Kiel ont fait une sorte de pilule. Dans cette dernière, l’oxyde de zinc forme des micro et nano structures, appelées tétrapodes. Ils s’entrelacent et construisent une entité stable de particules qui forment la pilule poreuse. De cette façon, les tétrapodes produisent le réseau qui est la base de l’Aérographite.

Simple mais ingénieux : de l’oxyde de zinc cristallisé comme base de l’Aérographite. © CAU, Photo: Stefanie Maack

 
Durant le processus de construction, le modèle soi-disant sacrificiel, un oxyde de zinc cristallisé (blanc), est «sacrifié» lorsque l’hydrogène est envoyé. De la vapeur et du zinc s’échappent, les tubes d’Aérographite restent. © TUHH

 
Les tétrapodes d’oxyde de zinc constituent une base idéale pour un matériau Aérographite robuste. © TUHH

Dans la prochaine étape, la pilule est positionnée dans le réacteur à dépôt de vapeur chimique de l’université TUHH, et est chauffée jusqu’à 760 degrés Celsius. « Pour maintenir une atmosphère de gaz enrichi en carbone et en oxyde de zinc, le four est équipé d’un revêtement de graphite de seulement quelques couches atomiques. La forme de structures à toile-soie de l’Aérographite. Simultanément, l’hydrogène est introduit. Il réagit avec l’oxygène de l’oxyde de zinc et le résultat est l’émission de vapeur et de gaz de zinc », poursuit Schulte. Les restes sont la caractéristique entrelacée de la structure de carbone en forme de tube. Le chercheur du TUHH, Mecklembourg, a expliqué : « plus vite le zinc est dégagé des parois du tube, plus léger et poreux sera le matériau. Il existe des possibilités considérables. Schuchard a ajouté : « la chose super, c’est que nous sommes en mesure d’influer sur les caractéristiques de l’Aérographite ; la forme modèle et le processus de séparation sont continuellement ajustés à Kiel et à Hambourg ».

Le réacteur est chauffé à plus de 760 degrés Celsius. Du zinc gazeux et de la vapeur s’échappent. Sur l’image: dans les zones sombres il est encore reconnaissable de l’oxyde de zinc. Ce qui reste est une coquille de graphite (zones claires). © KU

 
Un Aérographite en construction. Il aura un potentiel énorme – comme la production de batteries. © TUHH

 

Les applications possibles

En raison de ses caractéristiques matérielles uniques, l’Aérographite pourrait tenir sur les électrodes de batteries Li-ion. Dans ce cas, seule une quantité minime de l’électrolyte de la batterie serait nécessaire, ce qui conduirait alors à une réduction importante du poids de la batterie. Cet objectif a été esquissé par les auteurs dans un article publié récemment. Les domaines d’application pour ces petites batteries pourraient être les voitures ou des V’lib, par exemple. Ainsi, le matériau contribue au développement de moyens de transport écologiques.

Si l’on en croit les scientifiques, d’autres domaines d’application plus inattendus pourraient être la conductivité électrique des matériaux synthétiques. Les fibres plastiques non-conductrices seraient remplacées, sans faire prendre du poids au vêtement. Ainsi, les décharges statiques, qui se produisent régulièrement, pourraient donc être évitée.

Le nombre de nouvelles applications possibles pour le matériau le plus léger du monde est sans limite. Après la reconnaissance officielle de l’Aérographite, les scientifiques ont émis plein d’idées. Une possibilité pourrait être l’utilisation de l’électronique dans l’aviation et les satellites, parce qu’ils ont à endurer de grandes quantités de vibrations. En outre, le matériau pourrait être d’une aide prometteuse dans la purification de l’eau. Il pourrait agir comme un adsorbant pour les polluants persistants car la matière pourrait oxyder ou décomposer et éliminer ces derniers. Les chercheurs pensent aux bénéfices en terme de stabilité mécanique, de conductivité électronique et à la couverture d’une large surface. Une autre possibilité pourrait être la purification de l’air ambiant pour les incubateurs ou la ventilation.

Citations de l’Université de Kiel
Crédit image À-la-Une : Cette image montre en détail le matériau le plus léger du monde : l’Aérographite. Les tubes de carbone ouverts forment une maille fine et offrent une faible densité de 0,2 centimètre cube par milligramme. La photo a été prise avec un microscope électronique à balayage (TEM). © TUHH