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Ce matériau extrêmement léger est dix fois plus résistant que l’acier !

Au Massachusetts Institute of Technology (MIT), aux États-Unis, une équipe de chercheurs a conçu un matériau obtenu à partir de graphène, un matériau composé d’un seul atome et aux propriétés physiques exceptionnelles. Après avoir comprimé des flocons de graphène, ils ont imprimé en 3D le matériau obtenu avec une forme qui le rend capable de supporter des pressions extrêmes. Seulement 5 % de la densité de l’acier, mais 10 fois plus résistant.


Le graphène est une forme allotropique du carbone, comme le diamant ou le graphite. Il est essentiellement constitué d’une fine couche d’atomes de graphite. Bien que sa minceur soit son principal atout, sa fragilité est un inconvénient pour fabriquer des matériaux utiles à partir de graphène. En effet, l’épaisseur d’un graphène bidimensionnel classique ne dépasse pas un atome. Comme une feuille de papier, il est fragile et se déchire facilement. Toutefois, les chercheurs du MIT ont trouvé comment réaliser une structure solide et stable, en comprimant des flocons de graphène dans une structure en maillage, à l’image d’un corail.

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L’objectif est donc de transformer ce matériau bidimensionnel, en matériau tridimensionnel. Pour tester la force du graphène imprimé en 3D, les chercheurs ont créé plusieurs modèles tridimensionnels et les ont soumis à différents tests. À la grande surprise des chercheurs, le modèle, dont la structure est semblable à celle d’un « corail », offre des résultats surprenants, notamment en raison de l’épaisseur de ses parois.

En effet, lorsque l’objet possède des parois très épaisses, il éclate brutalement sous la pression. À l’inverse, lorsque ses parois sont très minces et poreuses, il s’écrase progressivement et maintient sa forme plus longtemps. 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. En effet, ce dernier échantillon avait atteint 5 % de la densité de l’acier, mais 10 fois sa résistance.

À gauche la structure en maillage fine, à droite la structure en maillage épaisse
À gauche la structure en maillage fine, à droite la structure en maillage épaisse

« Cette découverte montre que l’aspect crucial des nouvelles formes d’impression 3D ont davantage à voir avec leur configuration géométrique inhabituelle, qu’avec le matériau lui-même, ce qui suggère que des matériaux semblables, très solides et très légers pourraient être fabriqués à partir de divers matériaux en créant des motifs géométriques similaires », explique l’équipe du MIT.

 Résultats des simulations de compression et de traction des tests sur graphène imprimé en 3D. Credits : Zhao Qin
Résultats des simulations de compression et de traction des tests sur graphène imprimé en 3D. Credits : Zhao Qin

Des résultats convaincants qui ont encouragé les chercheurs à effectuer des tests de simulation à partir de modèles théoriques, mis au point par l’équipe pour obtenir au final des résultats comparables, pour confirmer l’influence de la géométrie dans la conception des matériaux. « Vous pouvez soit utiliser le vrai graphène, soit utiliser la géométrie que nous avons découverte avec d’autres matériaux, tels que des polymères ou des métaux. Vous pouvez remplacer le matériau lui-même par quoi que ce soit. La géométrie est l’élément déterminant. Il y a de très nombreuses applications possibles », explique Markus Buehler, directeur du Département de génie civil et environnemental (CEE) du MIT.

Pour les chercheurs du MIT, cette forme particulière pourrait bien représenter l’avenir des infrastructures légères. Lorsque l’on connaît les nécessités de gain de poids et de surface pour l’exploration spatiale notamment, on pense évidemment à d’éventuelles applications dans ce domaine. Pour l’ingénieur Zhao Qin qui a participé au projet, ce matériau pourrait être utilisé pour construire des structures ultralégères dans l’espace.

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