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Plus dur que le diamant

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Des physiciens d'Allemagne ont mis au point un matériau plus dur que le diamant. Natalia Dubrovinskaia et ses collègues de l'université de Bayreuth ont créé le nouveau matériau en soumettant des molécules de carbone 60 à une pression intense. La nouvelle forme de carbone, connue sous le nom de "nanobaguettes de diamants agrégées" (ADNR), devrait avoir de nombreuses applications industrielles.

Plus dur que le diamant

Le diamant, associant des propriétés physiques et chimiques uniques telles que la dureté, une conductivité thermique élevée, une importante largeur de bande interdite, une forte mobilité des électrons et des cavités et une grande inertie chimique, est utilisé dans le cadre d'un large éventail d'applications scientifiques et technologiques modernes. Par ailleurs, la demande de matériaux similaires au diamant et destinés à une application dans le secteur de l'électronique est en hausse.

Bien que la microélectronique basée sur les diamants ait peu de chances de se substituer totalement au silicium, les appareils reposant sur l'emploi de diamants pourraient fonctionner là où l'électronique-silicium échoue : les éclats de diamant pourraient potentiellement continuer à fonctionner à des températures pouvant atteindre plusieurs centaines de degrés, alors que les appareils s'appuyant sur le silicium cessent généralement de fonctionner au dessus de 450 Kelvin. Les applications électrochimiques des films basés sur les diamants, qui ont fait l'objet de développements significatifs ces quelques dernières années, sont considérées comme un domaine de recherche prometteur. Le diamant pur est un isolant parfait qui conduit très mal l'électricité. Mais, tout comme le silicium, il peut être transformé en semi-conducteur par des traces d'impuretés de bore ou d'azote.

Le diamant doit sa dureté au fait que chaque atome de carbone est relié à quatre autres atomes par de puissantes liaisons covalentes. Le nouveau matériau est différent en cela qu'il se compose de minuscules baguettes de diamants imbriquées. Chaque baguette représente un cristal faisant de 5 à 20 nanomètres de diamètre et environ 1 micron de long. La dureté d'un matériau se définit par sa résistance à la pénétration de sa surface par un autre matériau et se mesure par son module de compressibilité isotherme. Le module de compressibilité indique les variations en termes de volume d'une substance solide lorsque la pression dont celle-ci fait l'objet est modifiée. Les nanobaguettes de diamants agrégées affichent un module de 491 gigapascals (GPa), contre 442 GPa pour un diamant conventionnel.

L'équipe a mis au point les ADNR en comprimant les molécules de carbone 60 jusqu'à ce qu'elles atteignent 20 GPa, soit pratiquement 200 fois la pression atmosphérique, tout en les chauffant jusqu'à 2.500 Kelvin. Selon le docteur Dubrovinskaia, "la synthèse a été possible grâce à la presse multi-enclume unique de 5.000 tonnes du Bayerisches Geoinstitut de Bayreuth, qui est capable d'atteindre simultanément une pression de 25 GPa et une température de 2.700 Kelvin". Le Bayerisches Geoinstitut reçoit actuellement un financement de quatre ans au titre du programme communautaire Infrastructures de recherche.

Les propriétés des échantillons ont été mesurées à l'aide d'une cellule d'enclume de diamant - un appareil capable de générer des pressions pouvant pratiquement atteindre celles du centre de la Terre - situé dans les locaux de l'Installation européenne de rayonnement synchotron à Grenoble (France). Ces mesures ont indiqué que la densité des ADNR est environ 0,3 pour cent supérieure à celle du diamant, et que le nouveau matériau enregistre la compressibilité la plus faible de tous les matériaux connus.

En plus d'étudier les raisons de cette dureté du nouveau matériau, l'équipe de Bayreuth espère tirer parti de son potentiel industriel. Le docteur Dubrovinskaia et deux de ses collègues ont breveté le processus permettant de fabriquer le nouveau matériau. "Nous avons développé un concept destiné à une technologie innovante afin de produire un matériau nouveau en quantités industrielles et nous recherchons désormais des partenaires pour concrétiser nos idées", a-t-elle déclaré.

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