Des chercheurs chinois ont réussi à obtenir une forme de carbone tellement résistante qu’elle peut rayer la surface d’un diamant. Un nouveau matériau transparent qui possède en outre des propriétés de semi-conducteur, ce qui pourrait en faire un candidat idéal pour de nombreuses applications.

Cela vous intéressera aussi

[EN VIDÉO] Les étonnantes propriétés quantiques du graphène Le graphène est un matériau composé d’une seule couche d’atomes de carbone. Il a notamment des propriétés électriques étonnantes. Découvrez en vidéo, grâce à Tout Est Quantique, les secrets du graphène.

Contrairement aux matériaux cristallins, où les atomesatomes sont disposés de manière ordonnée, les matériaux amorphesamorphes ne présentent généralement pas une duretédureté ni une résistancerésistance exceptionnelle. Le plastiqueplastique et le verre se cassent facilement et sont relativement mous. Le diamantdiamant, à l'inverse, est l'un des matériaux les plus durs connus. Sur l’échelle de Vickers, sa dureté se situe entre 56 et 62 GPa (gigapascal). Un record battu à plate couture par le nouveau matériau mis au point par une équipe de chercheurs chinois de l'université de Yanshan, qui ont synthétisé une forme de carbonecarbone baptisée AM-III qui atteint une dureté de... 113 GPa. « Le AM-III est tout simplement le matériau amorphe le plus dur jamais conçu », se félicitent Zhisheng Zhao et ses collègues dans une étude parue dans la revue National Science Review.

Le saviez-vous ?

Le carbone présente une incroyable variabilité de configurations. Sous sa forme la plus répandue, le graphite, les atomes de carbone sont disposés en feuillets de graphène dans une structure hexagonale. La force de cohésion entre les plans étant relativement faible, les feuillets « glissent » facilement les uns sur les autres, ce qui fait du graphite un matériau assez friable. À l’inverse, dans le diamant, les atomes de carbone forment des structures tétraédriques, où les liaisons sont très fortes, ce qui explique pourquoi le diamant est très compact et très dur.

Une bouillie de fullerènes

Les chercheurs ont expérimenté plusieurs configurations des atomes de carbone et se sont finalement tournés vers les fullerènesfullerènes, un arrangement de 60 atomes de carbone reliés entre eux dans un arrangement hexagonal, comme dans les feuillets de graphitegraphite. Mais à la différence de ce dernier, les atomes contiennent également des anneaux pentagonaux ou heptagonaux, ce qui empêche la structure d'être plate. De ce fait, les fullerènes présentent une forme en tube ou en ballon. Ces fullerènes ont été soumis à une chaleurchaleur et une pressionpression croissante, ce qui les a « écrasés » et fait se mélanger ensemble, jusqu'à obtenir un matériau aux caractéristiques désirées.

L’image montre les rayures à la surface d’un diamant infligées par un morceau d’AM-III d'un millimètre de diamètre. © S. Zhang et al., <em>National Science Review</em>, 2021
L’image montre les rayures à la surface d’un diamant infligées par un morceau d’AM-III d'un millimètre de diamètre. © S. Zhang et al., National Science Review, 2021

Des futurs panneaux solaires ultrarésistants ?

Non seulement l'AM-III présente une dureté supérieure à celle du diamant, mais contrairement à ce dernier qui est un très mauvais conducteur, il possède des propriétés semi-conductrices, avec une plage de bande passantebande passante allant de 1,5 à 2,2 eV, similaire à celle du siliciumsilicium amorphe. De plus, il s'avère extrêmement stable thermiquement et ne se déforme pas même sous des contraintes extrêmes. De ce fait, il s'agit d'un candidat idéal pour fabriquer des panneaux solaires incassables et résistants aux intempéries, notent les auteurs. On pourrait également imaginer des écrans de smartphonesmartphone impossibles à rayer, ou des applicationsapplications dans le domaine spatial. Attention toutefois à ne pas s'enthousiasmer trop vite : le graphène, découvert il y a plus de 15 ans, n'a toujours pas trouvé de débouché à grande échelle.


Un matériau plus dur que le diamant à base de fullerène

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 22/08/2012

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

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 nanotubesnanotubes 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'hybridehybride 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 C<sub>60</sub> 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
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 solvantsolvant organique, un xylènexylène, 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 manteaumanteau de la Terre ou de la Lune.

Des buckminsterfullerènes sous 320.000 atmosphères

Les molécules de C60 forment d'abord un réseau cristallinréseau 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'atmosphèreatmosphère, le matériau synthétisé conserve sa structure lorsque la pression redevient normale. Remarquablement, ce nouvel avataravatar 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...