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Des diamants produits à partir de carbone grâce au laser

Les diamants fascinent tellement l’Homme que les chimistes entreprirent d’en fabriquer – tout comme les alchimistes avaient tenté de créer de l’or. Ils réussirent à synthétiser des diamants artificiels au cours des années 1950 mais, malheureusement, pas dans les conditions ambiantes. Une prouesse désormais possible grâce à l’utilisation du laser.

Rétrospectivement, on peut être un peu surpris par la difficulté de l’entreprise. Après tout, les diamants sont seulement composés de carbone, comme un vulgaire morceau de charbon ou la mine de nos crayons de papier. La raison pour laquelle ils sont beaucoup plus durs et possèdent leurs célèbres caractéristiques esthétiques se trouve en fait au niveau des arrangements desatomes de carbone, visibles sur le schéma ci-dessous. Il s’agit typiquement d’une illustration du phénomène d’allotropie (du grec allos signifiant « autre » et tropos « manière ») qui, en chimie, en minéralogie et en science des matériaux, traduit la faculté de certains corps simples d’exister sous plusieurs formes cristallines ou moléculaires différentes.

De la nanomousse de carbone au carbone Q

Les formes allotropiques du carbone présentes naturellement à l’état solide sur Terre sont le carbone amorphe et trois formes cristallisées : le graphite, le diamant et la lonsdaléite. Les chimistes savent en synthétiser d’autres en laboratoire. La plus étonnante, jusqu’à présent, était sans doute la nanomousse de carbone. Découverte en 1997 à l’université nationale australienne de Canberra (Australie) par l’équipe du docteur Andrei Rode, elle provient de la vaporisation de graphite sous atmosphère inerte (argon) à l’aide d’un laser. Jusqu’à récemment la nanomousse était la seule forme allotropique du carbone possédant des propriétés magnétiques. Ces dernières années, il a toutefois été possible d’en aimanter d’autres.

Diamant (à gauche) et graphite (à droite) sont tous deux formés d'atomes de carbone. Leurs différences de propriétés physiques s'expliquent par des arrangements atomiques différents. Le graphite est en particulier formé d'empilement de feuillet de graphène comme on le voit en bas à gauche.
Diamant (à gauche) et graphite (à droite) sont tous deux formés d’atomes de carbone. Leurs différences de propriétés physiques s’expliquent par des arrangements atomiques différents. Le graphite est en particulier formé d’empilements de feuillets de graphène, comme on le voit en bas à droite. © University of Illinois at Urbana-Champaign

Remarquablement, des chercheurs de la North Carolina State University viennent d’annoncer qu’ils ont découvert une autre forme allotropique du carbone douée elle aussi de propriétés magnétiques. Baptisée carbone Q (Q carbon en anglais), il s’agit d’un matériau ferromagnétique, de nouveau synthétisé à l’aide d’un faisceau laser, comme il est expliqué dans un article publié dans le journalAPL Materials. Ce qui rend cette découverte particulièrement intéressante, c’est qu’elle permet de produire du diamant à température et à pression ambiantes d’une certaine façon.

Le processus de fabrication commence par la déposition d’un film de carbone amorphe sur unsubstrat qui peut être du saphir, du verre ou un polymère. Ce film est ensuite bombardé pendant 200 nanosecondes avec une impulsion laser qui le porte à une température de 4.000kelvins sous une pression d’une atmosphère. Celui-ci, refroidi rapidement, donne un film de carbone Q épais de 20 à 500 nanomètres.

Les microdiamants obtenus à partir d'un film de carbone chauffé au laser sont observés sur cette image à l'aide d'un microscope électronique. © Jagdish Narayan, Anagh Bhaumik, APL Materials, North Carolina State University
Les microdiamants obtenus à partir d’un film de carbone chauffé au laser sont observés sur cette image à l’aide d’un microscope électronique. © Jagdish Narayan, Anagh Bhaumik, APL Materials, North Carolina State University

Carbone Q et diamant pour l’électronique

L’étude du carbone Q en est encore à ses balbutiements mais ce dernier apparaît déjà comme un matériau plus dur que le diamant et, en plus d’être ferromagnétique, il semble doué d’étonnantes propriétés électriques et optiques. Il est possible de lui faire libérer des électrons et même de lalumière, ce qui laisse entrevoir des applications pour l’électronique.

Une chose est sûre, en variant la durée des impulsions laser ainsi que le substrat sur lequel le carbone Q est produit, il est possible de provoquer la formation d’inclusions dans celui-ci qui sont formées de diamant. En pratique, tout se passe donc comme s’il était possible de fabriquer du diamant dans des conditions de pression et de température ambiantes avec des lasers qui ne sont pas plus compliqués à mettre en œuvre que ceux utilisés en ophtalmologie.

Selon les chercheurs, le diamant ainsi produit peut être utilisé pour réaliser des nano- ou des micro-aiguilles, des films à destination de la médecine ou divers processus de fabrication industrielle. Des applications sont aussi envisageables dans le domaine de l’électronique et peut-être même des ordinateurs quantiques.

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