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Un matériau plus dur que le diamant à base de fullerène

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L'atome de carbone a une grande aptitude à former des matériaux divers, surtout en chimie organique. La synthèse d'un nouveau solide à base de fullerène, plus précisément la fameuse molécule de C60 en forme de ballon de football, en témoigne. Intermédiaire entre une structure cristalline et amorphe, ce nouveau composé est plus dur que le diamant.

Richard Buckminster Fuller (1895-1983) était un architecte, designer, inventeur et auteur américain ainsi qu'un futuriste. Sa conception architecturale la plus connue est celle liée aux dômes géodésiques. Les molécules de carbone appelées fullerènes tirent leur nom de leur ressemblance avec ces dômes. © Buckminster Fuller estate

La chimie organique basée sur le carbone est d'une incroyable diversité. Mais même des matériaux uniquement - ou très majoritairement- formés d'atomes de carbone sont surprenants à cet égard. Ainsi le graphite est-il conducteur d'électricité et peu résistant alors que le diamant, formé lui aussi uniquement de carbone, est un isolant cristallin constituant l'un des solides les plus durs que l'on connaisse.

Le graphite lui-même est formé de feuillets de graphène empilés pouvant constituer aussi bien les parois des nanotubes que celles de la mythique molécule de C60 plus connue sous l'appellation buckminsterfullerène. Ce nom lui a été donné en hommage à l'architecte américain pionner des dômes géodésiques : Richard Buckminster Fuller.

Un groupe de chercheurs américains vient de montrer qu'il était possible de synthétiser un tout nouveau matériau à l'aide de ces molécules de fullerène. Leurs travaux sont exposés dans un article publié par le journal Science. Ils y annoncent qu'une sorte d'hybride à base de carbone entre le carbone amorphe et le diamant cristallin a été synthétisé pour la première fois, bien que son existence ait été suspectée depuis un certain temps.

On voit ici une représentation de la molécule de C60 encore appelée buckminsterfullerène ou footballène pour des raisons évidentes. C'est en effet une molécule sphérique composée de 60 atomes de carbone disposés en 20 hexagones et 12 pentagones, comme dans un ballon de football. © Wikipédia

Tout commence donc avec un mélange de buckminsterfullerène et d'un solvant organique, un xylène, soumis à de hautes pressions. Pour cela, une cellule à enclumes de diamants est utilisée, c'est le dispositif permettant aux géophysiciens de tester leurs théories sur l'état des roches dans les profondeurs du manteau de la Terre ou de la Lune.

Des buckminsterfullerènes sous 320.000 atmosphères

Les molécules de C60 forment d'abord un réseau cristallin avec des espaces entre les fullerènes dans lesquels se logent les molécules de solvant quand les pressions ne sont pas encore très élevées. Mais lorsqu'elles le deviennent, la structure en forme de ballon de football de chaque molécule s'effondre et l'on obtient un matériau partiellement amorphe. Ce sont les positions des molécules de xylène qui permettent de conserver une certaine périodicité dans le nouveau matériau. En effet, lorsque l'on chauffe suffisamment celui-ci pour faire partir les molécules de solvant, il perd ses propriétés cristallines.

Surtout, dans un intervalle de pressions étroit autour d'environ 320.000 fois celle de l'atmosphère, le matériau synthétisé conserve sa structure lorsque la pression redevient normale. Remarquablement, ce nouvel avatar des matériaux solides carbonés est capable de laisser une empreinte dans du diamant lorsqu'on le comprime. Sa dureté est donc supérieure à celle du diamant.

Pouvant exister dans des conditions physiques standards, ce nouveau composé devrait avoir des applications potentielles dans la vie de tous les jours. Reste à les trouver...

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