Des scientifiques ont froissé un matériau d'une épaisseur d'un atome — et ont découvert une nouvelle façon de contrôler l'électricité

Des chercheurs des États-Unis et du Royaume-Uni ont découvert qu'un changement presque invisible dans la forme du graphène — un matériau extrêmement fin — peut influencer de manière spectaculaire la façon dont l'électricité le traverse. Dans une étude publiée dans la revue « Advanced Materials », il a été constaté que des plis d'une taille inférieure à un milliardième de mètre sont capables de modifier les propriétés électriques du matériau. Cette découverte pourrait à l'avenir ouvrir la possibilité de produire des composants électroniques dans lesquels le courant peut être contrôlé uniquement par pliage et mise en forme, sans avoir besoin de modifier la composition chimique.

Le graphène est un matériau extrêmement fin composé de carbone. Pour comprendre à quel point il est fin, on peut imaginer une surface d'une épaisseur d'une seule couche d'atomes. Malgré ses dimensions minuscules, c'est un matériau très résistant capable de bien conduire l'électricité, c'est pourquoi les scientifiques étudient depuis des années comment il peut être utilisé dans les technologies futures.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont cherché à tester ce qui se passe lorsque la surface fine n'est pas parfaitement droite. Ils ont examiné des plis naturels minuscules qui se sont formés dans le graphène, dont la taille était inférieure à un milliardième de mètre, et ont découvert que la petite déformation affecte de manière significative le passage de l'électricité dans la zone.

On peut imaginer les plis comme une sorte de minuscules ralentisseurs pour le courant électrique. Lorsque le graphène se plie brusquement, les charges électriques qu'il contient changent légèrement de position. En conséquence, un côté avec un type de charge est créé dans la zone du pli, et en face, un côté avec une charge opposée — semblable à une minuscule batterie.

« Imaginez que vous pliez une règle flexible, sauf que le pli est compressé dans un espace inférieur à un milliardième de mètre », a expliqué Satwika Ajay Iyengar, qui a dirigé la recherche alors qu'il travaillait à l'Université Rice. « À cette échelle, les électrons dans le graphène se déplacent légèrement vers un côté et créent deux pôles électriques opposés, comme les extrémités d'une minuscule batterie. »

Les chercheurs ont constaté que l'effet électrique créé dans les plis était particulièrement fort. La polarisation mesurée a atteint une intensité jusqu'à 10 millions de fois supérieure à celle observée dans des systèmes beaucoup plus grands où le pliage d'un matériau crée une réaction similaire. Il s'est également avéré que le facteur le plus important n'est pas nécessairement la taille du pli, mais son degré de netteté.

« Il s'est avéré que la netteté du pli est beaucoup plus significative que sa taille globale », a déclaré Iyengar. « Cela signifie que nous pourrions être en mesure d'ajuster le comportement électrique en contrôlant précisément la courbure à l'échelle nanométrique. »

L'implication possible est qu'à l'avenir, ce qui ressemble à un défaut dans le matériau pourrait devenir un outil utile. Si les scientifiques réussissent à créer des plis précis aux endroits souhaités, ils pourraient être en mesure de déterminer comment l'électricité passera à l'intérieur d'un composant minuscule en utilisant uniquement sa forme. Cela pourrait être particulièrement utile dans les capteurs et les appareils électroniques très fins.

Le professeur Pulickel Ajayan de l'Université Rice a expliqué : « Notre travail montre que même un pli ordinaire peut devenir une caractéristique électronique extraordinaire lorsque vous le regardez à l'échelle atomique. » Selon lui, le fait que la forme du graphène seule puisse modifier son comportement électrique ouvre la possibilité de concevoir des matériaux en utilisant leur structure physique, au lieu d'y ajouter d'autres matériaux.

Cependant, il s'agit toujours d'une recherche fondamentale. En raison de la taille minuscule des plis, les chercheurs se sont appuyés sur des modèles informatiques en plus des mesures pour comprendre le phénomène. D'autres études devront confirmer les résultats et tester si l'effet peut être contrôlé avec suffisamment de précision pour être utilisé dans une technologie réelle.

L'idée que le pliage du graphène pourrait créer un changement électrique a été proposée il y a près de 20 ans, mais jusqu'à présent, il était difficile d'obtenir des preuves directes de ce phénomène. La nouvelle étude permet aux scientifiques d'examiner plus en détail comment une minuscule courbure affecte l'électricité dans le matériau.

Le graphène suscite un grand intérêt scientifique en raison de la combinaison inhabituelle d'une finesse extrême, d'une résistance et d'une conductivité électrique. Au fil des ans, des possibilités ont été testées pour l'utiliser dans des capteurs, l'électronique et des systèmes de filtration, entre autres. L'innovation de la recherche actuelle est la compréhension que la forme elle-même peut également devenir un outil pour contrôler les propriétés du matériau. Au lieu de modifier sa composition, il pourrait être possible à l'avenir de créer des plis et des courbes minuscules à des points planifiés et ainsi déterminer comment un composant électronique fonctionnera.

Comme l'a conclu Iyengar : « La nature crée déjà ces minuscules plis pour nous. Comprendre comment ils affectent le comportement électrique donne aux scientifiques un autre outil pour concevoir les technologies futures en utilisant la structure du matériau lui-même. »