Une approche hybride pour l'analyse et la conception de matériaux à base de feuilles de graphène
Cette nouvelle approche permet d'évaluer directement les rigidités de flexion des feuilles de graphène présentant des défauts de réseau, ce qui ouvre des perspectives pour la conception de nouveaux matériaux
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La théorie de Helfrich sur la flexion des membranes, étayée par des simulations de dynamique moléculaire, est une approche prometteuse pour l'évaluation des propriétés mécaniques des feuilles de graphène, rapportent des chercheurs de l'Institut des sciences de Tokyo. Cette approche hybride permet d'évaluer directement les rigidités de flexion des feuilles de graphène, même avec des défauts de réseau, sans nécessiter de tests expérimentaux, ce qui offre des indications précieuses pour la conception de nouveaux matériaux bidimensionnels aux propriétés mécaniques adaptées.
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Évaluation quantitative de la rigidité à la flexion des feuilles de graphène présentant des inclinaisons
Les feuilles de graphène (GS) sont des matériaux bidimensionnels (2D) à base de nanocarbone connus pour leur remarquable flexibilité, leur résistance mécanique exceptionnelle et leur capacité à adopter différentes formes. En particulier, l'introduction d'anneaux à 5 ou 7 chaînons dans les feuilles de graphène hexagonales permet d'obtenir des formes coniques ou en forme de selle de cheval. Imaginez une feuille de papier hexagonale divisée en six triangles équilatéraux. En retirant un triangle, on obtient un anneau à 5 chaînons qui, une fois plié, forme un cône, tandis qu'en ajoutant un triangle, on obtient un anneau à 7 chaînons, ce qui donne une forme de selle. Ces structures annulaires sont des défauts de réseau de type rotationnel connus sous le nom de "disclinations".
Les disclinations ont été utilisées pour développer divers matériaux à base de GS. Par exemple, les GS en forme de vague, appelés graphène en plateau d'œuf, qui ont des anneaux périodiques à 5 ou 7 chaînons, sont connus pour leur résistance aux chocs. Les GS avec des anneaux à 7 chaînons sont prometteurs pour une utilisation en tant que nanosprings. Ces défauts de réseau ont un effet significatif sur la courbure locale et les propriétés mécaniques des GS, en particulier leur rigidité à la flexion. Si la rigidité à la flexion des GS plats a été bien étudiée, celle des GS présentant des disclinaisons reste mal comprise en raison de la variabilité introduite par les déformations qui rendent difficiles les mesures précises.
Pour combler cette lacune, une équipe de recherche dirigée par le professeur associé Xiao-Wen Lei de l'École des matériaux et de la technologie chimique de l'Institut des sciences de Tokyo (Science Tokyo), au Japon, a mis au point une nouvelle approche. "Nous avons mis au point une nouvelle approche hybride, combinant des simulations de dynamique moléculaire et la théorie de Helfrich sur la flexion des membranes", explique M. Lei. "Cette méthode permet d'évaluer directement la rigidité de flexion des GS présentant des défauts de réseau à partir des configurations atomiques, sans nécessiter de tests expérimentaux." L'équipe comprenait l'étudiant diplômé Yushi Kunihiro et le professeur Toshiyuki Fujii de Science Tokyo, ainsi que le professeur associé Takashi Uneyama de l'université de Nagoya.
La théorie de Helfrich sur la flexion des membranes décrit la flexion hors plan des matériaux 2D en modélisant leur courbure à l'aide de considérations énergétiques. Bien qu'elle ait été développée à l'origine pour analyser les bicouches lipidiques des cellules biologiques, cette théorie est également applicable aux GS en raison de similitudes géométriques et mécaniques. Cependant, la résolution analytique de cette théorie est notoirement difficile. Pour simplifier l'analyse, les chercheurs ont appliqué des simulations de dynamique moléculaire.
En utilisant cette approche, l'équipe a analysé quatre types de modèles analytiques de GS avec des disclinations : des monopoles à disclinations positives (anneaux à 5 chaînons), des monopoles à disclinations négatives (anneaux à 7 chaînons) et des dipôles à disclinations connectées et séparées qui combinent les monopoles. Dans les dipôles connectés, les disclinations positives et négatives sont placées ensemble, tandis que dans les dipôles séparés, elles sont espacées à des distances variables des dipôles séparés.
Les valeurs de rigidité à la flexion calculées se situaient dans la fourchette raisonnable signalée dans les études précédentes, ce qui souligne la validité de l'approche. Plus particulièrement, les résultats ont révélé, pour la première fois, des différences de tendances entre les GS avec des monopôles et des dipôles. Les dipôles de déclinaison ont montré une rigidité de flexion similaire une fois que les effets non linéaires ont été exclus. Pour les dipôles, la combinaison de surfaces coniques et en forme de selle a entraîné un changement local de forme avec un changement local correspondant de la rigidité en flexion. En outre, lorsque la distance entre les disclinaisons augmente, la rigidité de flexion converge vers une valeur stable, ce qui souligne l'importance de la densité des défauts de réseau.
"Nos résultats offrent non seulement une base pour comprendre les propriétés mécaniques des GS avec des défauts de réseau, mais aussi des idées pour concevoir de nouveaux GS avec des rigidités de flexion spécifiques et des propriétés mécaniques sur mesure", note Lei. Dans l'ensemble, cette étude accélérera le développement de nouveaux matériaux à base de GS, tels que les nano-ressorts et les structures de graphène résistantes aux chocs, ce qui conduira à des matériaux 2D avancés.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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