Par toutes les mesures, le graphène ne devrait pas exister. Le fait qu'il se résume à une échappatoire en physique qui voit une feuille d'atomes 2D impossible à faire comme un matériau 3D solide.
De nouvelles recherches ont creusé dans l'ondulation du graphène, découvrant un phénomène physique à l'échelle atomique qui pourrait être exploité comme un moyen de produire un approvisionnement pratiquement illimité d'énergie propre.
L'équipe de physiciens dirigée par des chercheurs de l'Université de l'Arkansas n'a pas cherché à découvrir une nouvelle façon radicale d'alimenter les appareils électroniques.
Leur but était beaucoup plus humble – simplement regarder comment le graphène secoue.
Nous connaissons tous le matériau à base de carbone noir et graveleux appelé graphite, qui est généralement combiné avec un matériau céramique pour faire ce que l'on appelle le «plomb» dans les crayons.
Ce que nous voyons comme des traces laissées par le crayon sont en fait des feuilles empilées d'atomes de carbone disposées selon un motif de «poulailler». Puisque ces feuilles ne sont pas collées ensemble, elles glissent facilement l'une sur l'autre.
Pendant des années, les scientifiques se sont demandés s'il était possible d'isoler des feuilles de graphite isolées, laissant un plan bidimensionnel de «fil de poulet» en carbone se tenir tout seul.
En 2004, deux physiciens de l'Université de Manchester ont réalisé l'impossible en isolant des feuilles d'un morceau de graphite d'un atome d'épaisseur.
Pour exister, le matériau 2D devait tricher d'une manière ou d'une autre, agissant comme un matériau 3D afin de fournir un certain niveau de robustesse.
Il se trouve que la «faille» était le tremblement aléatoire des atomes qui sautillaient d'avant en arrière, donnant à la feuille 2D de graphène une troisième dimension pratique.
En d'autres termes, le graphène était possible parce qu'il n'était pas parfaitement plat, mais qu'il vibrait à un niveau atomique de telle manière que ses liaisons ne se détruisaient pas spontanément.
Pour mesurer avec précision le niveau de cette agitation, le physicien Paul Thibado a récemment dirigé une équipe d'étudiants diplômés dans une étude simple.
Ils ont posé des feuilles de graphène à travers une grille de cuivre favorable et ont observé les changements dans les positions des atomes à l'aide d'un microscope à effet tunnel.
Alors qu'ils pouvaient enregistrer le balancement des atomes dans le graphène, les chiffres ne correspondaient vraiment à aucun modèle attendu. Ils ne pouvaient pas reproduire les données qu'ils collectaient d'un procès à l'autre.
"Les étudiants pensaient que nous n'allions rien apprendre d'utile", dit Thibado, "mais je me demandais si nous posions une question trop simple."
Thibado a poussé l'expérience dans une direction différente, en cherchant un modèle en changeant la façon dont ils ont regardé les données.
"Nous avons séparé chaque image en sous-images", explique Thibado.
"En regardant les moyennes à grande échelle, on a caché les différents modèles: chaque région d'une seule image, vue dans le temps, a produit un modèle plus significatif."
L'équipe a rapidement découvert que les feuilles de graphène flambaient de la même manière que le claquement d'un morceau de métal mince tordu sur les côtés.
Les schémas de petites fluctuations aléatoires se combinant pour former des changements soudains et dramatiques sont connus sous le nom de vols de Lévy. Bien qu'ils aient été observés dans des systèmes complexes de biologie et de climat, c'était la première fois qu'ils étaient vus à l'échelle atomique.
En mesurant la vitesse et l'échelle de ces ondes de graphène, Thibado a pensé qu'il pourrait être possible de l'exploiter comme une source d'énergie à température ambiante.
Tant que la température du graphène permettait aux atomes de se déplacer de façon inconfortable, elle continuait à onduler et à se courber.
Placez des électrodes de chaque côté des sections de ce graphène de flambage, et vous aurez une petite tension de décalage.
Ce clip vidéo ci-dessous explique le processus en détail:
Selon les calculs de Thibado, un seul morceau de graphène de dix microns par dix microns pourrait produire dix microwatts de puissance.
Cela ne semble pas impressionnant, mais étant donné que vous pouvez placer plus de 20 000 de ces carrés sur la tête d'une épingle, une petite quantité de graphène à température ambiante pourrait alimenter un petit objet comme une montre-bracelet pour une durée indéterminée.
Mieux encore, il pourrait alimenter des bioimplants qui n'ont pas besoin de piles encombrantes.
Aussi passionnantes qu'elles soient, ces applications doivent encore être étudiées. Heureusement, Thibado travaille déjà avec des scientifiques du US Naval Research Laboratory pour voir si le concept a des jambes.
Pour une molécule impossible, le graphène est devenu quelque chose d'un matériau merveilleux qui a fait tourner la physique.
Il est déjà présenté comme une pierre angulaire pour les futurs chefs d'orchestre. Peut-être verrons-nous aussi l'avenir d'un nouveau domaine des appareils électroniques.
Cette recherche a été publiée dans Physical Review Letters .
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