novembre 27, 2022

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Un tout nouveau verre diamant fabriqué à partir de buckyballs en carbone

Les chercheurs utilisent un piston multi-enclumes pour transformer le fullerène C60 en verre diamanté, similaire au processus de conversion du graphite en diamant dans un appareil à haute pression. Crédit : photo de Yingwei Fei

C’est le verre le plus dur connu pour avoir la conductivité thermique la plus élevée parmi tous les matériaux de verre.

Yingwei Fei et Lin Wang de l’Université Carnegie faisaient partie d’une équipe de recherche internationale qui a synthétisé une nouvelle forme de verre de carbone ultra-dur avec un large éventail d’applications pratiques potentielles pour les appareils et l’électronique. C’est le verre le plus dur connu pour avoir la conductivité thermique la plus élevée parmi tous les matériaux de verre. Leurs conclusions ont été publiées dans tempérer la nature.

La fonction suit la forme lorsqu’il s’agit de comprendre les propriétés d’une substance. La façon dont ses atomes sont chimiquement liés les uns aux autres, et leur arrangement structurel qui en résulte, détermine les qualités physiques d’une substance – à la fois celles observables à l’œil nu et celles qui ne sont révélées que par une enquête scientifique.

Le carbone est sans précédent dans sa capacité à former des structures stables – seul et en combinaison avec d’autres éléments. Certaines formes de carbone sont hautement structurées, avec des réseaux cristallins répétitifs. D’autres sont plus désordonnés, un adjectif dit amorphe.

Le type de liaison qui maintient un matériau à base de carbone ensemble détermine sa dureté. Par exemple, le graphite mou a des liaisons bidimensionnelles et le diamant dur a des liaisons tridimensionnelles.

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« La synthèse d’un matériau de carbone amorphe avec des liaisons tridimensionnelles a été un objectif à long terme », a expliqué Fay. « L’astuce consiste à trouver le bon matériau de départ pour la transformation avec une pression appliquée. »

« Pendant des décennies, les chercheurs de Carnegie ont été à l’avant-garde du domaine, utilisant des techniques de laboratoire pour générer des pressions extrêmes afin de produire de nouveaux matériaux ou de simuler des conditions trouvées au plus profond des planètes », a ajouté Richard Carlson, directeur du Carnegie Earth and Planetary Laboratory.

En raison de son point de fusion extrêmement élevé, il est impossible d’utiliser le diamant comme point de départ pour la composition du verre semblable au diamant. Cependant, l’équipe de recherche dirigée par Bingbing Liu de l’Université de Jilin et Minguang Yao – un ancien chercheur invité à l’Université Carnegie – ont fait des progrès majeurs en utilisant une forme de carbone composée de 60 molécules disposées pour former une sphère creuse. Ce matériau lauréat du prix Nobel, officieusement appelé buckyball, a été suffisamment chauffé pour briser sa structure semblable à un ballon de football et faire des ravages avant de transformer le carbone en diamant cristallin sous pression.

L’équipe a utilisé une presse multi-enclumes surdimensionnée pour fabriquer le verre en forme de diamant. Le verre est suffisamment grand pour la caractérisation. Ses propriétés ont été confirmées à l’aide de diverses techniques avancées à haute résolution pour étudier la structure atomique.

« Créer du verre doté de ces propriétés supérieures ouvrira la porte à de nouvelles applications », a expliqué Fay. L’utilisation de nouveaux matériaux verriers repose sur la fabrication de grandes pièces, ce qui a été un défi dans le passé. La température relativement basse à laquelle nous avons pu fabriquer ce nouveau verre diamant ultra-dur rend la production en série plus pratique. « 

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Référence : « Carbone amorphe ultra-dur provenant du fullerène effondré » par Yuchen Shang, Zhaodong Liu, Jiajun Dong, Mingguang Yao, Zhenxing Yang, Quanjun Li, Chunguang Zhai, Fangren Shen, Xuyuan Hou, Lin Wang, Nianqiang Zhang, Wei Zhang, Rong Fu, Jianfeng Ji, Xingmin Zhang, He Lin, Yingwei Fei, Bertil Sundqvist, Weihua Wang, Bingbing Liu, 24 novembre 2021, tempérer la nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03882-9

Ce travail a été soutenu financièrement par le Programme national de recherche et de développement de Chine, la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine et la Fondation chinoise des sciences postdoctorales.