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Plus dur que le diamant : a-Carbonia

ActualitéClassé sous :physique , a-Carbonia , verre

Une nouvelle forme de dioxyde de carbone solide vient d'être découverte : a-Carbonia (pour « Carbonia amorphe ») est un matériau très résistant, qui permettra de fabriquer du verre dur comme le diamant ou des revêtements de circuits électroniques. Et pourra aussi aider à comprendre comment se comporte le cœur des planètes géantes gazeuses recélant du CO2 à très haute pression.

Le silicium combiné avec l'oxygène donne facilement du verre, de même que le germanium. Est-ce possible avec le carbone ?

Une équipe italienne est à l'origine de la découverte de ce verre ultra résistant à base de gaz carbonique : les deux physiciens Mario Santoro, au LENS (European Laboratory for Non-linear Spectroscopy) et Federico Gorelli, de l'université de Florence INFM (Institute Nazionale per la Fisica della Materia), pensaient depuis longtemps qu'un tel matériau était possible, mais aucun laboratoire n'était encore parvenu à le créer. Les Italiens ont dû appliquer une pression extrême (400 000 fois la pression atmosphérique !) sur des molécules de dioxyde de carbone à haute température pour arriver à ce nouveau « Carbonia amorphe » ou a-Carbonia  (1) .

a-Carbonia peut aider à comprendre Jupiter…

Dans le tableau périodique des éléments (la classification de Mendeleïev), le carbone (C) fait partie au même titre que le germanium (Ge), le silicium (Si) et l'étain (Sn), du groupe IV. Mais à la différence de ses congénères, il forme un gaz lorsqu'il réagit avec l'oxygène à température ambiante : le dioxyde de carbone, CO2 . Les autres éléments de ce groupe donnent des solides s'ils sont combinés avec l'oxygène : le silicium procure de la silice cristalline (du quartz), ou du verre (SiO2), un matériau dit amorphe car silicium et oxygène n'y forment pas un réseau aussi ordonné qu'un cristal. De même le germanium donne un verre (amorphe) utilisé pour des lentilles et des câbles en fibre optique (GeO2).

La raison de ce comportement différencié: le carbone est l'élément le plus léger de son groupe, et à température et pression ambiantes il se contente de former un gaz de molécules non liées entre elles. Jusqu'ici, on était parvenu à solidifier du gaz carbonique pour produire ce que l'on appelle de la « glace sèche », en le comprimant sévèrement ou en le refroidissant fortement. Il se crée alors un cristal moléculaire constitué d'un treillis de molécules de CO2 : le maillage est « discret », les molécules n'interagissent pas entre elles. L'équipe est allée plus loin : au sein du CO2 solide qu'ils ont fabriqué, les atomes de carbone et d'oxygène forment un réseau continu (non discret) et désordonné, signature d'un matériau amorphe comme le verre.

Le dispositif expérimental : du dioxyde de carbone solide est chauffé et porté à une pression comprise entre 400 000 et 500 000 Atm (soit 40 à 50 GPa), puis refroidi jusqu'à température ambiante pour former un verre. L'analyse par spectroscopie infrarouge et Raman a pu confirmer que a-Carbonia a bien une structure comparable à la silice, tout en étant plus dur.

Mais dès que le matériau est dépressurisé, il retourne à l'état gazeux. La prochaine étape consiste donc à réaliser un a-Carbonia stable à température ambiante, dans un but d'applications technologiques : verres très résistants, enduits protecteurs pour les circuits électroniques...

D'ici-là, les chercheurs pensent en tirer des enseignements pour la compréhension du cœur des planètes gazeuses géantes, comme Jupiter où règnent des pressions de plus de 40 GPa.

(1) « Amorphous silica-like carbon dioxide », Mario Santoro, Federico A. Gorelli, Roberto Bini, Giancarlo Ruocco, Sandro Scandolo, Wilson A. Crichton - Nature 441, 857-860

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