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Une imprimante 3D au graphène capable de créer des pièces plus dures que l'acier

L’équipe de recherche du MIT a également montré que le graphène 3D ne pourrait pas remplacer l'hélium dans les ballons.

L’équipe de recherche du MIT a également montré que le graphène 3D ne pourrait pas remplacer l'hélium dans les ballons.

Le MIT a présenté ses travaux avec une imprimante 3D utilisant un graphène plus léger que l'air, et 10 fois plus résistant que l'acier.

Des chercheurs du MIT ont réussi à imprimer des objets 3D en graphène (un cristal bidimensionnel de carbone dont l'empilement constitue le graphite), 10 fois plus résistants que l'acier et nettement moins lourds. La version la plus solide pourrait servir à créer des produits légers pour l’aviation, l’automobile, et le BTP, ayant même des capacités de filtration, en profitant de la structure poreuse des objets imprimés. L’épaisseur d’un graphène bidimensionnel classique ne dépasse pas un atome. Comme une feuille de papier, il est fragile et se déchire facilement. Mais le graphène est également un très bon conducteur d'électricité et il est presque transparent. Jusqu'à présent, les chercheurs s’étaient efforcés d'utiliser les spécificités bidimensionnelles du graphène dans des matériaux tridimensionnels. Mais, du fait de leur extraordinaire minceur, « ils ne sont pas très utiles pour fabriquer des matériaux 3D pour l’automobile, le BTP ou divers appareils », a déclaré dans un communiqué Markus Buehler, responsable du département de génie civil et environnemental (CEE) du MIT. « Le but de notre recherche était de traduire ces matériaux 2D en structures tridimensionnelles ».

 

Ci-dessus, les résultats des tests simulés de traction et de compression sur le graphène 3D. (Crédit : Zhao Qin) 

Pour créer ces nouvelles structures de graphène, les chercheurs ont utilisé une imprimante 3D propriétaire, multi-matériaux. Ces structures sont comparables à celle d’une éponge, puisque leur densité ne dépasse pas 5 %. En combinant chaleur et pression, les chercheurs du MIT ont pu comprimer de petits flocons de graphène pour produire une structure solide et stable « dont la forme ressemble à celle de certains coraux ou à celle de créatures microscopiques appelées diatomées ». Proportionnellement à leur volume, les nouvelles formes ont une surface énorme et elles sont d’une solidité remarquable. Les résultats des chercheurs ont été publiés la semaine dernière dans la revue Science Advances. La même recherche leur a permis de déterminer les densités critiques au-dessous desquelles l'assemblage de graphène 3D perdait son avantage mécanique par rapport à la plupart des matériaux cellulaires polymères. « Après avoir créé ces structures 3D, nous voulions tester leur limite, savoir quel était le matériau le plus solide que nous pouvions produire », a déclaré Zhao Qin, professeur en ingénierie de McAfee.

5% de la densité de l'acier mais 10 fois sa résistance 

Pour tester la force du graphène imprimé en 3D, les chercheurs ont créé plusieurs modèles tridimensionnels et les ont soumis à différents tests. « Dans les simulations informatiques utilisées pour reproduire les conditions de charge dans des tests de traction et de compression effectués par une machine à traction, l’un de nos échantillons a atteint 5 % de la densité de l'acier, mais 10 fois sa résistance », a déclaré le professeur. De la même manière que la résistance d’un papier augmente quand il est roulé, la géométrie du graphène imprimé en 3D a augmenté sa capacité à supporter un poids substantiel. Les nouvelles configurations ont été réalisées dans le laboratoire avec une imprimante 3D haute résolution, multi-matériau. Les chercheurs ont non seulement réalisé des tests mécaniques pour apprécier leurs propriétés de traction et de compression, mais ils ont effectué les mêmes tests en simulation à partir de modèles théoriques mis au point par de l'équipe pour obtenir au final des résultats comparables.

Poursuivant la recherche d’autres collègues qui avaient établi que les graphènes pouvaient être plus légers que l'air, les chercheurs du MIT ont cherché à savoir si, dans le vide, les structures de graphène pouvaient servir de substitut à l'hélium pour un vol non motorisé. Grâce à leur modèle informatique, ils ont pu montrer que le graphène ne pouvait pas remplacer l'hélium dans les ballons : le matériau n’ayant pas la résistance suffisante s'effondrerait sous la pression atmosphérique environnante. Les chercheurs du MIT ont toutefois constaté que ces structures de graphène 3D pourraient servir à de nombreuses autres applications, notamment celles où la résistance extrême et le poids, léger, représentaient un avantage. « Il est possible d’utiliser le graphène ou la géométrie que nous avons découvert avec d'autres matériaux, des polymères ou des métaux par exemple », a déclaré Markus Buehler. « En fait, on peut remplacer le matériau lui-même par n'importe quoi. La géométrie est l’élément déterminant. Il y a de très nombreuses applications possibles ». 

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