Les plastiques sont ce que les chimistes appellent des polymères. Ils sont constitués de chaînes de blocs élémentaires -- les monomèresmonomères -- qui s'enfilent un peu comme on enfile des perles sur un collier. Sur une seule dimension, donc. Parce qu'ils espèrent que la structure lui donnera à la fois légèreté et résistancerésistance, les chercheurs essaient depuis longtemps de fabriquer un plastiqueplastique qui se développe sur deux dimensions. Suivant un peu la forme d'une feuille. L'opération est plus que délicate. Car les physiciensphysiciens ont noté que si un seul monomère sort alors du plan de la feuille, le matériau se dilate en trois dimensions.

Ainsi tout le monde pensait la chose impossible. Pourtant des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT, États-Unis) présentent aujourd'hui un matériau de ce type. Un polymère bidimensionnel qui s'autoassemble en feuilles. Plus léger que le plastique et plus résistant que l’acier. Qui plus est, facile à produire en grande quantité. Il pourrait servir aussi bien de revêtement pour des pièces de voiturevoiture ou des téléphones portables que de matériau de constructionconstruction pour des ponts et d'autres structures.

À la base du matériau, la mélamine, une amine aromatiquearomatique (C₃H₆N₆) dont la structure cyclique est faite d'azote et de carbone. Et les physiciens du MIT ont trouvé les conditions dans lesquelles ces monomères peuvent croître en deux dimensions. Ils forment alors des disques qui viennent s'empiler les uns sur les autres. L'ensemble étant alors maintenu par des liaisons hydrogène. De quoi former une structure stable et solide.

Un procédé simple pour un matériau de qualité

« Ce mécanisme se produit spontanément en solution, et après avoir synthétisé le matériau, nous pouvons facilement enduire par centrifugation des films minces extraordinairement résistants -- du 2DPA-1 », précise Michael Strano, chercheur, dans un communiqué du MIT. Puisque le matériau s'autoassemble, il peut être fabriqué en grande quantité en augmentant simplement la quantité de matièresmatières premières.

Selon les chercheurs, le module d'élasticitéélasticité du matériau -- qui donne la force nécessaire à le déformer -- ainsi obtenu est quatre à six fois supérieur à celui du verre pare-balles. Sa limite d'élasticité -- comprenez la force nécessaire à le casser -- est le double de celle de l'acieracier. Alors même que le matériau ne se présente qu'avec le sixième de sa densité.

L'autre caractéristique intéressante de ce matériau, c'est qu'il est conçu comme à partir de briques de Lego. Alors que l'enroulement classique des chaînes polymères laisse des espaces dans lesquels les gazgaz peuvent s'infiltrer, cette structure-là est étroitement imbriquée. Ce qui la rend imperméable au gaz. Ce nouveau matériau pourrait ainsi servir à fabriquer des revêtements ultrafins et légers qui viendraient constituer des barrières infranchissables aussi bien pour les gaz que pour l'eau.

L'équipe du MIT travaille déjà à mettre au point d'autres formulations moléculaires qui permettraient d'obtenir de nouveaux types de matériaux.

Graphène : le MIT a créé un matériau plus résistant que l’acier et aussi léger que le plastique

On savait que les feuillets de graphènegraphène ont une exceptionnelle résistance mécanique. Mais selon des chercheurs du MIT, un assemblage en 3D de ces feuillets selon une structure mathématique précise permettrait d'obtenir un matériau 10 fois plus solide que l'acier et aussi léger que du plastique.

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco paru le 17/01/2017

Cette structure en plastique a été réalisée avec une imprimante 3D. Elle fait partie des surfaces minimales appelées gyroides. © Melanie Gonick, MIT

Le terme de plastacier (plasteel en anglais), n'est pas étranger aux fans de Dune, le mythique roman de Frank Herbert. Mais il parlera sans doute davantage aux passionnés du célèbre ouvrage Vaisseaux de l'espace, de l'an 2000 à l'an 2100 de Stewart Cowley, la traduction française du premier livre de la série Terran Trade Authority, plus fameux, probablement, en Grande-Bretagne. Dans cette dernière version, c'est une sorte d'unobtainium aussi léger que le plastique mais considérablement plus résistant que l'acier.

Selon des chercheurs du MIT, un tel matériau impossible devrait être à notre portée s'il est fabriqué convenablement à l'aide de feuillets de graphène, comme ils l'expliquent dans un article publié dans Science. Cependant, il ne s'agit encore, pour l'essentiel, que de prédictions tirées de simulations numériquessimulations numériques modélisant la propriété de ce matériau à l'aide des lois de la mécanique quantiquemécanique quantique et qui ont été testées à l'aide de simulations analogiquesanalogiques, si l'on peut dire. En l'occurrence, il s'agit de modèles réalisés à l'aide d'une imprimante 3D.

Un exemple de la structure que l’on peut obtenir en 3D en chauffant et comprimant des feuillets de graphène. Le cadre principal est une image de synthèse. L’image dans la fenêtre du haut a été obtenue avec un microscope électronique. © Qin et al. Sci. Adv. 2017;

Le graphène, le matériau miracle

Rappelons que la découverte du graphène a été couronnée par l'attribution d'un prix Nobel et que l'Union européenne a débloqué un fond d'environ un milliard d'euros pour permettre des recherches dessus. Scientifiques et investisseurs attendent de lui qu'il révolutionne l'électronique ainsi que d'autres technologies comme le séquençageséquençage de l'ADNADN ou encore celle de la désalinisation de l’eau de mer. Pourtant il s'agit de simples feuillets dont l'épaisseur est celle d'un atomeatome de carbone et que l'on obtient à partir du graphitegraphite. Ces feuillets sont toutefois doués d'exceptionnelles propriétés de conduction électrique ainsi que de résistance mécanique.

Les chercheurs du MIT se sont justement concentrés sur cette dernière propriété, ce qui leur a permis d'étudier la possibilité de faire des sortes d'aérogelaérogel avec le graphène, c'est-à-dire des structures poreuses en 3D formées par un assemblage subtil de flocons de feuillets de graphène. On sait faire des structures plus basiques, mais similaires, en comprimant et chauffant des flocons de graphène. On obtient alors, comme ces chercheurs l'ont montré, une structure résistante qui n'est pas sans rappeler celles de certains coraux ainsi que du test calcairecalcaire des diatomées. Une des question étudiées était de savoir s'il était possible de créer de semblables structures avec le graphène de sorte qu'elles seraient plus légères que l'airair et donc capables de flotter comme des ballonsballons, mais sans l'aide d'hydrogènehydrogène et d'héliumhélium. La réponse a été non, car un tel matériau s'effondrerait sous la pressionpression extérieure de l'air.

Une surface minimale, une gyroide, comme clé du plastacier

Mais d'après les simulations numériques, il devait tout de même exister un assemblage de flocons de graphène permettant d'obtenir un matériau dont la densité est de seulement 5 % de l'acier, tout en ayant une résistance mécanique 10 fois supérieure. Des modèles macroscopiques bien précis ont donc été réalisés avec une imprimante 3D. Avec ces modèles analogiquesmodèles analogiques, un bon accord avec les lois de résistance mécanique prédites a été obtenu. Techniquement, la structure géométrique est un exemple de ce que l'on appelle en physiquephysique et en mathématique des surfaces minimales. Ce sont des formes géométriques dont la surface est la plus petite possible en fonction de certaines contraintes, souvent mécaniques (comme des bulles de savon qui minimisent leur énergieénergie). En l'occurrence, les chercheurs du MIT ont utilisé un exemple de surfaces baptisées gyroides, découvertes par Alan Schoen en 1970 alors qu'il travaillait à la NasaNasa. Elles sont elles-mêmes des cas particuliers des surfaces minimales découvertes au XIX^e siècle par le grand mathématicienmathématicien allemand Hermann Amandus Schwarz.

Reste que l'on ne sait pas encore vraiment par quel moyen de synthèse on pourrait obtenir la structure la plus performante qui a été découverte par les physiciens. Ce qui est certain, en revanche, c'est que cette structure joue un rôle majeur dans la résistance mécanique du matériau de sorte qu'on pourrait imaginer fabriquer des cousins de ce plastacier à base de graphène avec d'autres substances, que ce soit des polymères ou des métauxmétaux.

Le matériau le plus résistant au monde !

Article de Laurent Sacco publié le 22/07/2008

Nouvelle illustration des propriétés exceptionnelles de ce matériau découvert en 2004... Selon un groupe de chercheurs de l'Université de ColumbiaColumbia aux Etats-Unis, le graphène présente la plus grande résistance à la rupture parmi tous les matériaux connus à ce jour.

On ne présente plus le graphène, cette couche monoatomique d'atomes de carbone que l'on obtient facilement en séparant les feuillets du graphite. Doué de remarquables propriétés utilisables en électronique, il pourrait un jour détrôner le silicium. On le retrouve aussi dans d'autres matériaux miracles des nanotechnologiesnanotechnologies, les nanotubes de carbonenanotubes de carbone et les fullerènesfullerènes.

Les nanotubes sont en effet de simples feuillets de graphène enroulés. On en connaissait déjà la très grande résistance mécanique, au point d'en faire de bons candidats pour le câble d'un hypothétique ascenseur spatial, du type de celui popularisé par Arthur C. Clarke dans Les Fontaines du Paradis.

Aujourd'hui, comme ils l'expliquent dans un article publié dans Science, James Hone, Jeffrey Kysar, Changgu Lee et Xiaoding Wei ont étudié la résistance à la rupture d'un feuillet de graphène à l'aide de la pointe diamantée d'un microscope à force atomiquemicroscope à force atomique, d'un diamètre de 20 nanomètresnanomètres. Un tel instrument utilise d'ordinaire une pointe en siliciumsilicium mais, dans cette expérience, elle se serait brisée bien avant le feuillet de graphène.

Deux tonnes sur une pointe de crayon

Classiquement obtenu par exfoliationexfoliation du graphite, ce feuillet a été placé sur une lamelle de silicium percée de trous d'un diamètre de 1 à 1,5 micromètremicromètre. La pointe du microsocope à force atomique a ensuite été utilisée pour déformer le feuillet. Il devenait alors possible de mesurer à la fois le rapport entre les forces appliquées et les déformations obtenues, ainsi que le seuil de rupture du graphène. La résistance à la rupture qu'ont mesurée les scientifiques établit un record. Si un film étirable de plastique d'emballage pour aliments possédait la même résistance, il supporterait une massemasse de deux tonnes sur une pointe de crayon !

Une telle résistance s'explique par l'absence de défauts sur le feuillet de graphène, car c'est surtout de la taille et du nombre de défauts contenus dans un matériau que dépend sa résistance à la rupture. Comme l'expliquent les chercheurs, cette valeur de la résistance servira de référence pour établir les propriétés mécaniques des matériaux contenant du graphène, nanostructures ou composites.

L'équipe s'engage maintenant dans l'étude des propriétés liées à la frictionfriction ainsi qu'à la détermination des caractéristiques des forces de Van der Walls entre le graphène et différents substratssubstrats sur lesquels il pourrait être déposé.