Pour la première fois, des diamants ont été synthétisés en laboratoire à température ambiante

Pour la première fois, des diamants ont été synthétisés en laboratoire à température ambiante


Le diamant est un minéral composé de carbone dont la formation naturelle dans les profondeurs de la Terre nécessite des millions d’années ainsi que des pressions et températures extrêmes, généralement au-dessus de 1000 °C. Au cours des dernières années, les scientifiques ont été capables de produire des diamants de synthèse en laboratoire, reproduisant les processus naturels. Cependant, les conditions physiques extrêmes requises sont un obstacle à une production de masse et peu chère. Mais récemment, une équipe de chercheurs est parvenue à synthétiser deux formes de diamant sans avoir recours à de la chaleur. Une avancée majeure qui devrait ouvrir la voie à une production industrielle de diamant considérablement facilitée.

Une équipe internationale a créé deux types différents de diamant à température ambiante — et en quelques minutes. C’est la première fois que des diamants sont produits avec succès dans un laboratoire sans chaleur supplémentaire. L’étude a été publiée dans la revue Small.

Les atomes de carbone peuvent se lier ensemble de différentes manières pour former différents matériaux, y compris le graphite et le diamant. Il existe de nombreuses formes bien connues de carbone avec une liaison de type graphite, y compris le graphène, le matériau le plus mince jamais mesuré. Mais il existe également plusieurs matériaux carbonés de type diamant.

L’existence de plusieurs types de diamants

Dans un diamant normal, les atomes sont disposés en une structure cristalline cubique. Cependant, il est également possible d’arranger ces atomes de carbone afin qu’ils aient une structure cristalline hexagonale. Cette forme différente de diamant est appelée Lonsdaleite, du nom de la cristallographe irlandaise et membre de la Royal Society Kathleen Lonsdale, qui a étudié la structure du carbone à l’aide de rayons X.

structure cristalline diamant lonsdaleite
Structures cristallines du diamant et de la Lonsdaleite. Crédits : Dougal G. McCulloch et al. 2020

La Lonsdaleite suscite beaucoup d’intérêt, car elle devrait être 58% plus dure que le diamant ordinaire — qui est déjà considéré comme le matériau naturel le plus dur sur Terre. Elle a été découverte pour la première fois dans la nature, sur le site du cratère de météorite Canyon Diablo en Arizona.

De minuscules quantités de matériau ont depuis été synthétisées dans des laboratoires en chauffant et en comprimant du graphite, à l’aide d’une presse à haute pression ou d’explosifs. La nouvelle recherche montre que la Lonsdaleite et le diamant ordinaire peuvent être formés à température ambiante dans un laboratoire, en appliquant simplement des pressions élevées.

Synthétiser des diamants en laboratoire

Les diamants ont été synthétisés dans des laboratoires depuis 1954. Ensuite, Tracy Hall de General Electric les a améliorés et produits en utilisant un processus qui imitait les conditions naturelles de la croûte terrestre, ajoutant des catalyseurs métalliques pour accélérer le processus de croissance. Le résultat était des diamants haute pression et haute température similaires à ceux trouvés dans la nature, mais souvent plus petits et moins parfaits.

Ceux-ci sont encore fabriqués aujourd’hui, principalement pour des applications industrielles. L’autre méthode majeure de fabrication du diamant est via un procédé chimique-gaz qui utilise un petit diamant comme « graine » pour faire pousser des diamants plus gros. Des températures d’environ 800 ℃ sont requises. Bien que la croissance soit assez lente, ces diamants peuvent être développés gros et relativement sans défauts.

Le rôle essentiel des forces de cisaillement

La nature a fourni des indices sur d’autres moyens de former des diamants, y compris lors de l’impact violent des météorites sur Terre, ainsi que dans des processus tels que les collisions d’astéroïdes à grande vitesse dans notre système solaire — créant ce que nous appelons des « diamants extraterrestres ».

Les scientifiques ont essayé de comprendre exactement comment se forment les diamants d’impact ou extraterrestres. Il existe des preuves que, en plus des températures et des pressions élevées, les forces de glissement (également appelées forces de cisaillement) pourraient jouer un rôle important dans le déclenchement de leur formation.

schema forces cisaillement
Schéma illustrant le principe des forces de cisaillement. Crédits : Sharayanan

Un objet soumis à des forces de cisaillement est poussé dans une direction en haut et dans la direction opposée en bas. Un exemple serait de pousser un jeu de cartes vers la droite en haut et vers la gauche en bas. Cela forcerait le jeu à glisser et les cartes à s’étaler. Par conséquent, les forces de cisaillement sont également appelées forces glissantes.

Diamant et Lonsdaleite à température ambiante

Les chercheurs ont conçu une expérience dans laquelle une petite puce de carbone de type graphite a été soumise à la fois à des forces de cisaillement extrêmes et à des pressions élevées, pour encourager la formation de diamant. Contrairement à la plupart des travaux antérieurs sur ce front, aucun chauffage supplémentaire n’a été appliqué à l’échantillon de carbone pendant la compression.

image microscope electronique diamant lonsdaleite
Image en microscopie électronique montrant la couche de diamant imbriquée dans une couche plus épaisse de Lonsdaleite. Crédits : Dougal G. McCulloch et al. 2020

En utilisant la microscopie électronique avancée — une technique utilisée pour capturer des images à très haute résolution —, l’échantillon résultant s’est avéré contenir à la fois du diamant ordinaire et de la Lonsdaleite. Dans cet arrangement jamais vu auparavant, une mince « rivière » de diamant (environ 200 fois plus petite qu’un cheveu humain) était entourée par une « mer » de Lonsdaleite.

La disposition de la structure rappelle le « cisaillement en bandes » observé dans d’autres matériaux, dans lequel une zone étroite subit une contrainte intense et localisée. Cela suggère que les forces de cisaillement étaient essentielles à la formation de ces diamants à température ambiante.

Un véritable intérêt pour l’industrie

La possibilité de produire des diamants à température ambiante, en quelques minutes, offre de nombreuses possibilités de fabrication. Plus précisément, rendre la Lonsdaleite « plus dure que le diamant » de cette façon est une nouvelle intéressante pour les industries où des matériaux extrêmement durs sont nécessaires. Par exemple, le diamant est utilisé pour enduire les trépans et les lames afin de prolonger la durée de vie de ces outils.

Le prochain défi pour les auteurs est de réduire la pression nécessaire pour former les diamants. Dans leurs recherches, la pression la plus basse à température ambiante où les diamants se sont formés était de 80 gigapascals. C’est l’équivalent de 640 éléphants d’Afrique se tenant sur la pointe d’une chaussure de ballet.

Sources : Small



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