En novembre 2020, a été publié un article rapportant la synthèse de a de diamant nanocristallin et de lonsdaleite à température ambiante, ce qui était jusqu'à présent considéré comme impossible à réaliser.
La synthèse a été réalisée sous une pression de 80GPa à partir d'un précurseur d'échantillon de carbone non cristallin. Cela n'a été possible qu'avec des pressions et une contrainte de cisaillement élevées, toutes deux étant "importantes pour favoriser la formation de phases, car elles peuvent aider à surmonter les barrières cinétiques", selon l'article.
Les résultats de l'étude reposent sur l'utilisation d'une technique de microscopie électronique très courante et très utilisée en cristallographie, qui est le domaine expérimental qui étudie l'arrangement des atomes dans les solides cristallins, dans le cas du présent article, le diamant et la lonsdaleite.
Le diamant, le petit (ou non) et précieux morceau de roche brillante, n'est pas seulement un bijou coûteux, c'est aussi un matériau extrêmement important en raison de ses propriétés, qui lui permettent d'être utilisé dans des environnements normaux et extrêmes.
Parmi les propriétés utiles, citons une dureté extrême, une conductivité thermique élevée et une utilisation dans des applications biomédicales, entre autres.
La Lonsdaleite est un matériau semblable au diamant avec peu de différences dans la structure cristalline par rapport au diamant, alors que le diamant a une structure cristalline cubique avec un carbone lié à un tétraèdre, la Lonsdaleite a une structure cristalline hexagonaleune forme moins courante de réarrangement.
La plupart des recherches sur la synthèse du diamant font état de la nécessité de deux formes d'excitation pour dépasser la barrière cinétique élevée des changements de phase du matériau.
Une pression élevée et une température élevée sont généralement utilisées pour synthétiser le diamant et la lonsdaleite en laboratoire.
Les scientifiques disposent aujourd'hui d'un diagramme qui montre les états physiques de certains matériaux en fonction de la température et de la pression, appelé le diagramme de phase. Très célèbre et outil de guidage utile aux scientifiques pour savoir quelle température et quelle pression sont nécessaires pour atteindre un état spécifique, comme solide, liquide ou gazeux. Dans les atomes de carbone, le graphite et le diamant sont deux exemples d'états solides.
Si vous regardez le diagramme de carboneSelon l'article, l'état de diamant pourrait être atteint à température ambiante au-dessus de la pression de 2GPa, mais en réalité, d'autres facteurs doivent être pris en compte, des facteurs qui peuvent entraîner une énorme différence dans le résultat final. L'un de ces facteurs mentionnés dans l'article est contrainte de cisaillement.
La contrainte de cisaillement est connue comme un processus où des couches parallèles glissent les unes sur les autres. Un exemple très simple est lorsque vous mettez vos mains l'une contre l'autre, et que vous commencez à glisser l'une sur l'autre - comme lorsque vous avez froid et que vous voulez réchauffer vos mains - ce mouvement crée une contrainte de cisaillement dans les mains ou dans le matériau utilisé.
La contrainte de cisaillement peut favoriser le changement de phase des matériaux. Sans tenir compte de la température, la contrainte de cisaillement s'avère être un élément important de la façon dont "le diamant peut être formé dans une gamme beaucoup plus large d'environnements, à la fois terrestres et extra-terrestres, qu'on ne le pensait auparavant", mais de nombreuses autres études sont nécessaires pour confirmer les effets de la contrainte de cisaillement. La formation de la lonsdaleite a également été associée à la contrainte de cisaillement.
Pour tenter de produire du diamant et de la lonsdaleite à température ambiante, les scientifiques ont soumis des échantillons de carbone vitreux à une compression de 80×109Pa - c'est beaucoup de pression, beaucoup, beaucoup plus que la pression que vous avez ressentie en passant un test ordinaire à l'université.
Ce nombre équivaut à une pression de près de 800 mille atmosphères - nous ne vivons que sous une seule atmosphère.
Les scientifiques ont analysé les résultats des échantillons à l'aide de trois types différents de techniques de microscopie électronique. La spectroscopie Raman, la diffraction des rayons X et la MET (microscopie électronique à transmission). Découvrons chacune d'entre elles.
Le site Spectroscopie Raman est une technique qui permet d'obtenir une empreinte structurelle d'un matériau spécifique à l'aide du les modes vibrationnels des molécules.
Le matériau de l'échantillon interagit avec une lumière monochromatique - généralement un laser - en absorbant et en émettant des photons de manière inélastique, c'est-à-dire que la vibration moléculaire de l'échantillon absorbe un certain nombre de photons, la quantité absorbée étant différente de celle émise.
Cette différence est détectée et le résultat final permet aux scientifiques d'obtenir des informations structurelles sur l'échantillon.
La diffraction des rayons X Cette technique implique l'utilisation d'un faisceau d'électrons au lieu d'une lumière monochromatique. En raison de la disposition des atomes dans la structure cristalline, lorsque le faisceau de rayons X atteint l'échantillon, il se diffracte dans de nombreux angles et directions différents.
Les scientifiques peuvent mesurer ces angles et les intensités du faisceau diffracté en transformant les données en une image tridimensionnelle avec les positions de l'atome dans le cristal.
Le site TEM, microscopie électronique à transmission est une technique de microscopie qui utilise un faisceau d'électrons au lieu de la lumière ainsi que la diffraction des rayons X.
L'échantillon est exposé au faisceau, qui le traverse en produisant une image à l'aide d'un détecteur de fluorescence.
Cette technique nécessite une préparation de l'échantillon sur une grille et elle est qualifiée de technique évasive en raison de la perte de l'échantillon, qui est détruit pendant l'analyse.
Après avoir tenté de produire un diamant, les chercheurs ont découvert par Raman que les échantillons n'étaient constitués que de matériau graphitique.
Cependant, les schémas de diffraction des rayons X ont donné un résultat différent, démontrant la présence de lonsdaleite (12%), de diamant (3%) et de graphite (85%).
Ces résultats divergents s'expliquent par les différences de chaque technique. Le Raman est capable d'analyser uniquement la surface des matériaux, alors que la diffraction des rayons X peut parcourir toute l'épaisseur de l'échantillon.
Globalement, ce résultat prouve que la formation de matériaux durs comme le diamant n'est pas seulement le résultat de la pression et de la température.
Et d'autres facteurs peuvent induire la formation de matériaux, comme la contrainte de cisaillement ou des facteurs que la science ne connaît même pas encore.
Peut-être qu'à l'avenir, lorsque cette technique de compression se sera mieux établie, rendant la production de diamants moins coûteuse, la science pourra tirer pleinement parti de ce matériau.
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