Un nanomatériau qui défie les lois classiques de la physique

Des physiciens viennent de créer un nanomatériau auxétique qui pourrait permettre d’améliorer les jauges de contrainte et les technologies portables.

Noah Stocek, étudiant en doctorat, avec l’instrumentation personnalisée qu’il a conçue avec Giovanni Fanchini et qui permet de produire un nouveau nanomatériau bidimensionnel record. Mitch Zimmer/Western Science

Un doctorant et un physicien de Western Science viennent de créer un nouveau nanomatériau qui pourrait nous permettre d’accéder encore plus rapidement aux technologies portables.

Lorsqu’un matériau s’étire, cette force modifie sa conductivité électrique. En d’autres termes, il s’amincit.

Cependant, Noah Stocek, doctorant en collaboration avec Giovanni Fanchini, physicien à Western Science, a fabriqué un nanomatériau, défini par sa taille minuscule, qui défie cet ordre naturel.

Stocek a déclaré qu’ils “cherchaient spécifiquement à créer un nanomatériau bidimensionnel à partir de semi-carbure de tungstène” qui, en tant que matériau, a de nombreuses applications pratiques dans les outils de coupe, les munitions et même la bijouterie.

Un nanomatériau qui devient plus électrique à mesure qu’il s’étire

La plupart des matériaux ont un coefficient de Poisson positif, ce qui signifie que lorsqu’ils sont étirés, ils s’amincissent latéralement (élastiques), mais dans un matériau auxétique, ils s’épaississent. Ils se dilatent en fonction des forces appliquées.

“En 2018”, poursuit M. Stocek, “les théoriciens avaient prédit qu’il [le semi-carbure de tungstène] pourrait présenter ce comportement à un niveau excellent, mais personne n’avait été en mesure de le développer, malgré les efforts considérables déployés par des groupes de recherche du monde entier”.

Ils viennent de prouver que le semi-carbure de tungstène, un nanomatériau, présente effectivement ce comportement.

Jusqu’à présent, un seul matériau était capable de présenter ce comportement, et encore, à peine 10 %. La nanofeuille de semi-carbure de tungstène a même battu un record du monde en se dilatant jusqu’à 40 %.

Stocek et Fanchini n’ont pas pu fabriquer ce nanomatériau en utilisant une approche conventionnelle, et se sont donc tournés vers le quatrième état de la matière : le plasma. Comme son nom l’indique, la physique des plasmas fait référence aux propriétés physiques de la matière.

Comme nous l’avons appris en physique fondamentale, un solide peut se liquéfier ou se transformer en gaz. Nous n’entendons pas parler du plasma comme d’une option, bien qu’il s’agisse du quatrième état de la matière.

“C’est là que la plupart des chercheurs qui ont essayé d’obtenir ce matériau avant nous se sont retrouvés bloqués, et nous avons donc dû pivoter”, a déclaré M. Fanchini.

Généralement, des fours spéciaux sont utilisés pour fabriquer des nanomatériaux bidimensionnels. Mais cette méthode n’a pas fonctionné dans ce cas.

Les chercheurs ont donc inventé une nouvelle instrumentation, qui comprend à la fois des fonctions de mesure et de contrôle, pour produire l’effet désiré.

Les possibilités offertes par ces nanofeuillets de W2C sont infinies.

Un nanomatériau qui peut déboucher sur des “wearables” !

Au niveau le plus élémentaire, elles pourraient constituer le matériau d’une meilleure jauge de contrainte, c’est-à-dire un capteur qui mesure la contrainte sur un objet utilisé dans toutes les industries manufacturières, de l’aérospatiale à l’automobile en passant par la plomberie.

“Imaginez que vous vouliez savoir si un tuyau dans votre maison se déforme et risque d’éclater à un moment donné. Vous pouvez coller sur le tuyau un capteur fabriqué à partir de ce nanomatériau bidimensionnel, puis utiliser un ordinateur pour surveiller le courant qui le traverse. Si le courant augmente, cela signifie que le tuyau se dilate et risque d’éclater”, explique M. Stocek.

Étant donné qu’il devient plus actif électriquement lorsqu’il s’étire, nous pouvons mesurer la déformation à un nouveau degré, ce qui nous aiderait à mieux construire à un niveau fondamental. En outre, ce matériau innovant pourrait faire progresser de manière significative les technologies portables.

NC State, par exemple, vient de créer un capteur à partir de fils, mais ils n’ont pas pu étirer le matériau trop fortement à cause de cette règle de la physique classique, semble-t-il. Avec ce type de nanomatériau, cela pourrait ne plus être le cas.

Trouverons-nous un autre nanomatériau capable de se comporter de la sorte ?

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Source : Interesting Engineering – Traduit par Anguille sous roche