La nanostructure de carbone à base de plaques développée par les chercheurs de l’université de Californie (États-Unis) est plus dure que le diamant. © Björn Wylezich, Adobe Stock

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Des chercheurs ont créé une nanostructure de carbone plus dure que le diamant !

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Le diamant, c'est une sorte de Graal pour les physiciens des matériaux. Pour ceux qui travaillent à élaborer des structures plus dures que dans la nature. Et c'est un peu le résultat que des chercheurs viennent d'obtenir : une nanostructure de carbone dont le rapport résistance sur densité est plus élevé que celui du diamant.

Les diamants sont parmi les matériaux les plus durs au monde. Une simple question d'arrangement des atomes de carbone qui le composent. Et des chercheurs de l'université de Californie (États-Unis) viennent de mettre au point une structure de carbone à l'échelle nanométrique qui présente un rapport résistance sur densité plus élevé que le diamant« La théorie prévoyait que des nanolattices de carbone à base de plaques seraient incroyablement solides mais de tels réseaux sont longtemps restés difficiles à fabriquer. Cette fois, nous avons pu vérifier expérimentalement ce qu'annonçait la théorie », explique Cameron Crook, chercheur, dans un communiqué de l’université de Californie.

Cette prouesse, les chercheurs l'ont accomplie en s'appuyant sur une technique complexe d'impression 3D, le two-photon polymerization direct laser writing, comprenez l'écriture laser directe par polymérisation à deux photons. Prenez une gouttelette de résine liquide sensible à la lumière ultraviolette et bombardez-la à l'aide d'un laser. Lorsque deux photons se rencontrent, le polymère se solidifie. Par balayage, la technique est capable de rendre des arrangements périodiques de cellules, chacune composée d'assemblages de grilles de seulement 160 nanomètres.

La nouvelle conception proposée par les chercheurs de l’université de Californie améliore la résistance du matériau jusqu’à 639 % et sa rigidité jusqu’à 522 % par rapport aux anciennes structures basées sur des faisceaux cylindriques. © Cameron Crook et Jens Bauer, Université de Californie

Des applications dans l’aérospatial

Pour éliminer l'excès de matière, les chercheurs ont pensé à inclure de minuscules trous dans les plaques. Et pour finalement obtenir un matériau carboné, ils ont eu recours à la pyrolyse : une sorte de cuisson à 900 °C, sous vide et pendant une heure. Résultat, un réseau en forme de cube de carbone vitreux dont la résistance surpasse celle de tous les autres matériaux poreux. D'autant qu'une part de cette résistance résulte justement de la petite taille de la structure.

Ce type de matériaux intéresse particulièrement les ingénieurs en structure de l'aéronautique ou de l'aérospatiale. Car ils combinent résistance et faible densité de masse. De quoi améliorer considérablement les performances des avions et des engins spatiaux.

Pour en savoir plus

Inédit : des diamants produits à partir de carbone grâce au laser

Les diamants fascinent tellement l'Homme que les chimistes entreprirent d'en fabriquer - tout comme les alchimistes avaient tenté de créer de l'or. Ils réussirent à synthétiser des diamants artificiels au cours des années 1950 mais, malheureusement, pas dans les conditions ambiantes. Une prouesse désormais possible grâce à l'utilisation du laser.

Article de Laurent Sacco paru le 03/12/2015

Le diamant se forme dans des conditions de température et de pression particulières, par exemple à 3.000 °C et 300 kbar. Ceci explique pourquoi il a fallu attendre les années 1950 pour que les chimistes puissent produire du diamant artificiel. Il y eut bien des tentatives à la fin du XIXe et au début du XXe siècle, comme celle de Henri Moissan. Elles semblaient d'ailleurs avoir été couronnées de succès mais furent par la suite fortement mises en doute. La prouesse fut finalement accomplie le 16 décembre 1954, dans les laboratoires de la General Electric, par l'équipe de Francis Bundy et Tracy Hall.

Rétrospectivement, on peut être un peu surpris par la difficulté de l'entreprise. Après tout, les diamants sont seulement composés de carbone, comme un vulgaire morceau de charbon ou la mine de nos crayons de papier. La raison pour laquelle ils sont beaucoup plus durs et possèdent leurs célèbres caractéristiques esthétiques se trouve en fait au niveau des arrangements des atomes de carbone, visibles sur le schéma ci-dessous. Il s'agit typiquement d'une illustration du phénomène d'allotropie (du grec allos signifiant « autre » et tropos « manière ») qui, en chimie, en minéralogie et en science des matériaux, traduit la faculté de certains corps simples d'exister sous plusieurs formes cristallines ou moléculaires différentes.

De la nanomousse de carbone au carbone Q

Les formes allotropiques du carbone présentes naturellement à l'état solide sur Terre sont le carbone amorphe et trois formes cristallisées : le graphite, le diamant et la lonsdaléite. Les chimistes savent en synthétiser d'autres en laboratoire. La plus étonnante, jusqu'à présent, était sans doute la nanomousse de carbone. Découverte en 1997 à l'université nationale australienne de Canberra (Australie) par l'équipe du docteur Andrei Rode, elle provient de la vaporisation de graphite sous atmosphère inerte (argon) à l'aide d'un laser. Jusqu'à récemment la nanomousse était la seule forme allotropique du carbone possédant des propriétés magnétiques. Ces dernières années, il a toutefois été possible d'en aimanter d'autres.

Diamant (à gauche) et graphite (à droite) sont tous deux formés d'atomes de carbone. Leurs différences de propriétés physiques s'expliquent par des arrangements atomiques différents. Le graphite est en particulier formé d'empilements de feuillets de graphène, comme on le voit en bas à droite. © University of Illinois at Urbana-Champaign

Remarquablement, des chercheurs de la North Carolina State University viennent d'annoncer qu'ils ont découvert une autre forme allotropique du carbone douée elle aussi de propriétés magnétiques. Baptisée carbone Q (Q carbon en anglais), il s'agit d'un matériau ferromagnétique, de nouveau synthétisé à l'aide d'un faisceau laser, comme il est expliqué dans un article publié dans le journal APL Materials. Ce qui rend cette découverte particulièrement intéressante, c'est qu'elle permet de produire du diamant à température et à pression ambiantes d'une certaine façon.

Le processus de fabrication commence par la déposition d'un film de carbone amorphe sur un substrat qui peut être du saphir, du verre ou un polymère. Ce film est ensuite bombardé pendant 200 nanosecondes avec une impulsion laser qui le porte à une température de 4.000 kelvins sous une pression d'une atmosphère. Celui-ci, refroidi rapidement, donne un film de carbone Q épais de 20 à 500 nanomètres.

Les microdiamants obtenus à partir d'un film de carbone chauffé au laser sont observés sur cette image à l'aide d'un microscope électronique. © Jagdish Narayan, Anagh Bhaumik, APL Materials, North Carolina State University

Carbone Q et diamant pour l'électronique

L'étude du carbone Q en est encore à ses balbutiements mais ce dernier apparaît déjà comme un matériau plus dur que le diamant et, en plus d'être ferromagnétique, il semble doué d'étonnantes propriétés électriques et optiques. Il est possible de lui faire libérer des électrons et même de la lumière, ce qui laisse entrevoir des applications pour l'électronique.

Une chose est sûre, en variant la durée des impulsions laser ainsi que le substrat sur lequel le carbone Q est produit, il est possible de provoquer la formation d'inclusions dans celui-ci qui sont formées de diamant. En pratique, tout se passe donc comme s'il était possible de fabriquer du diamant dans des conditions de pression et de température ambiantes avec des lasers qui ne sont pas plus compliqués à mettre en œuvre que ceux utilisés en ophtalmologie.

Selon les chercheurs, le diamant ainsi produit peut être utilisé pour réaliser des nano- ou des micro-aiguilles, des films à destination de la médecine ou divers processus de fabrication industrielle. Des applications sont aussi envisageables dans le domaine de l'électronique et peut-être même des ordinateurs quantiques.

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