Turbostratique ou graphitique : là est la question

mardi 14 mars 2017

L'étude réalisée au CEMES a permis de démontrer que la structure cristallographique de particules de graphènes peut être identifiée rien qu'en caractérisant leur morphologie à l'échelle macroscopique sans devoir recourir aux méthodes de caractérisation structurale comme l'imagerie électronique de haute résolution ou la diffraction (photons X, électrons).

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Les particules graphéniques sont actuellement étudiées dans le monde entier car susceptibles d'être utilisées dans une multitude d'applications. Elles peuvent être produites par différentes méthodes de synthèse et sont rarement constituées d'un graphène unique, mais plutôt d'un empilement de plusieurs graphènes, dont le nombre est déterminé par les conditions de synthèse. Soumises à des contraintes lors de leur manipulation (en solution, en aérosol, …), de telles particules graphéniques peuvent se comporter mécaniquement de façons très différentes les unes des autres, même quand elles sont constituées de graphènes comparables en nombre et qualité. Un comportement évoque celui d'un papier que l'on plie (figure a) alors qu'un autre évoque celui d'un papier que l'on froisse (figure b).

Des chercheurs de deux unités propres du CNRS (le CEMES de Toulouse, et le CRPP de Bordeaux) ont montré que ce comportement très différencié était uniquement dû à la façon dont les graphènes se superposent dans les particules, et non pas à la présence de défauts. En effet, chaque graphène est constitué d'atomes de carbone disposés en hexagones, ce qui constitue un motif périodique. Selon l'histoire (procédés de synthèse, post-traitements) qui a donné naissance aux particules graphéniques, les graphènes qui les constituent peuvent s'empiler en s'orientant de façon à faire coïncider leurs motifs : c'est notamment le cas dans le graphite, dont la nature de l'empilement des graphènes et la structure cristallographique résultante sont donc dits "graphitiques". Mais les graphènes peuvent aussi s'empiler de façon aléatoire, avec un désordre de rotation faisant que les motifs ne coïncident plus : ce type d'empilement est qualifié de "turbostratique". Dans le premier cas, l'empilement ordonné génère des directions de pliage privilégiées correspondant à des directions cristallographiques particulières, alors que dans le second cas, le désordre rotationnel ne permet rien de tel.

La relation ainsi établie permet de prédire, simplement par la visualisation de la morphologie générale des particules graphéniques micrométriques, lesquelles correspondent à la structure graphitique (cas de l'image a) et lesquelles correspondent à la structure turbostratique (cas de l'image b), sans avoir recours à l'imagerie haute résolution où à des méthodes de diffraction (électronique, ou des rayons X).

Référence de l'article

Monthioux M., Noé L., Kobylko M., Wang Y., Cazarès-Huerta M., Pénicaud A. Determining the structure of graphene-based flakes from their morphotype. Carbon 115 (2017) 128-133.

Contact

Marc Monthioux

 

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