Dans la nature, les diamants se forment profondément dans la Terre sur des milliards d’années. Ce processus nécessite des environnements avec une pression et des températures exceptionnellement élevées dépassant 1 000 ℃.
Notre équipe internationale a créé deux types de diamants différents à température ambiante — et en quelques minutes. C’est la première fois que des diamants sont produits avec succès dans un laboratoire sans chaleur ajoutée.
Nos résultats sont publiés dans la revue Small.
Il y a plus d’une forme de diamant
Les atomes de carbone peuvent se lier de plusieurs façons pour former différents matériaux, y compris le graphite noir doux et le diamant transparent dur.
Il existe de nombreuses formes bien connues de carbone avec une liaison de type graphite, y compris le graphène, le matériau le plus fin jamais mesuré. Mais saviez-vous qu’il existe également plus d’un type de matériau à base de carbone avec une liaison de type diamant?
Dans un diamant normal, les atomes sont disposés dans une structure cristalline cubique. Cependant, il est également possible d’agencer ces atomes de carbone de manière à ce qu’ils aient une structure cristalline hexagonale.
Cette forme différente de diamant s’appelle la Lonsdaléite, 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.
Il y a beaucoup d’intérêt pour la lonsdaléite, car elle est prévue pour être 58% plus dure que le diamant ordinaire — qui est déjà considéré comme le matériau naturel le plus dur sur Terre.
Il a été découvert pour la première fois dans la nature, sur le site du cratère météoritique Canyon Diablo en Arizona. Des quantités infimes de la substance 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.
Nos recherches montrent que la lonsdaléite et le diamant ordinaire peuvent être formés à température ambiante dans un environnement de laboratoire, en appliquant simplement des pressions élevées.
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Les nombreuses façons de fabriquer un diamant
Les diamants ont été synthétisés dans des laboratoires dès 1954. Ensuite, Tracy Hall de General Electric les a créés en utilisant un processus qui imitait les conditions naturelles de la croûte terrestre, en ajoutant des catalyseurs métalliques pour accélérer le processus de croissance.
Le résultat a été des diamants à haute pression et à 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 consiste à utiliser 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 cultivés de grande taille et relativement exempts de défauts.
La Nature a fourni des indices sur d’autres façons de former le diamant, 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 les diamants d’impact ou extraterrestres se forment. Il existe des preuves qu’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.
Un objet touché par 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 gauche en haut et vers la droite en bas. Cela forcerait le jeu à glisser et les cartes à s’étaler. Par conséquent, les forces de cisaillement sont également appelées forces de « glissement ».
Fabrication de diamants à température ambiante
Pour notre travail, nous avons conçu une expérience dans laquelle une petite puce de carbone de type graphite a été soumise à des forces de cisaillement extrêmes et à des pressions élevées, afin de favoriser la formation de diamants.
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. 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 Lonsdaléite.
Dans cet arrangement inédit, une mince « rivière » de diamant (environ 200 fois plus petite qu’un cheveu humain) était entourée d’une « mer » de Lonsdaléite.
La disposition de la structure rappelle les « bandes de cisaillement » observées dans d’autres matériaux, dans lesquelles une zone étroite subit une déformation intense et localisée. Cela suggère que les forces de cisaillement ont été la clé de la formation de ces diamants à température ambiante.
Des écrous durs à craquer
La possibilité de fabriquer des diamants à température ambiante, en quelques minutes, ouvre de nombreuses possibilités de fabrication.
Plus précisément, rendre la Lonsdaléite « plus dure que le diamant » de cette façon est une nouvelle passionnante pour les industries où des matériaux extrêmement durs sont nécessaires. Par exemple, le diamant est utilisé pour enduire les forets et les lames afin de prolonger la durée de vie de ces outils.
Le prochain défi pour nous est d’abaisser la pression nécessaire pour former les diamants.
Dans nos 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 sur la pointe d’une chaussure de ballet !
Si le diamant et la Lonsdaléite pouvaient être fabriqués à des pressions plus faibles, nous pourrions en faire plus, plus rapidement et moins cher.
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