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Q-carbon pour créer des diamants à température ambiante - Par : Luis Felipe Gerlein Reyes,

Q-carbon pour créer des diamants à température ambiante


Luis Felipe Gerlein Reyes
Luis Felipe Gerlein Reyes Profil de l'auteur(e)
Luis Felipe Gerlein est étudiant au doctorat à l’ÉTS. Ses recherches portent sur la nanofabrication et la caractérisation de dispositifs optoélectroniques à base de chalcogénures de plomb, de nanostructures à base de carbone et de matériaux pérovskite.
Programme : Génie électrique 

Du diamant naturel au Q-carbon

Les usines de diamants de la nature fonctionnent à l’aide de processus complexes et très lents pour créer ces pierres précieuses tant recherchées. À partir de dépôts de carbone, les diamants nécessitent une période de développement variant entre 1 milliard et 3,3 milliards d’années. Il faut en plus une pression 150 000 fois plus forte que la pression atmosphérique pour convertir le graphite, la forme la plus stable du carbone, en diamants.

Dans le cadre du projet diamantifère GE, une procédure normalisée a été conçue en 1941 pour fabriquer des diamants artificiels en chauffant du carbone à environ 3 000 °C sous une pression de 3,5 gigapascals (GPa – 510 000 ps ou 34 542 fois la pression atmosphérique). Les méthodes de fabrication modernes permettent d’atteindre des pressions de 5,5 GPa, à des températures de 1500 °C.

hopediamond

Le diamant « Hope Diamond », un des plus gros diamants bleus au monde à 45.52 carats, fait partie de la collection du Musée national d’histoire naturelle des États-Unis.

Fabrication du Q-carbon

Ces facteurs, en plus d’autres comme leur couleur et leur histoire, justifient le prix élevé demandé pour ces pierres sur le marché des diamants. Toutefois, cela pourrait être sur le point de changer suite au rapport présenté par des chercheurs de l’Université de l’État de la Caroline du Nord. Ils ont fabriqué une nouvelle phase stable de carbone qui peut être obtenue à température ambiante, leur permettant de créer des diamants artificiels avec possiblement de meilleures propriétés que celles trouvées dans la nature.

Microdiamonds produced directly from a Q-Carbon substrate after the laser treatment. Taken from AIP/ALP Materials.

Micro-diamants produits directement à partir d’un substrat de Q-carbon après le traitement au laser. Extrait de l’AIP / Matériaux ALP.

Cette nouvelle phase de carbone a été nommée carbone trempée ou Q-carbon. Ses propriétés peuvent également être ajustées à température ambiante en contrôlant les paramètres de fabrication, sans changer la pression atmosphérique.

Selon le chercheur principal de ce projet, Jay Narayan, le Q-carbon peut être ajouté à la liste des phases solides de carbone existant naturellement : le diamant et le graphite. Cependant, il n’est pas aussi facile à trouver dans la nature que les deux autres phases. Les seuls endroits où le Q-carbon peut être trouvé dans un environnement naturel sont dans le noyau des planètes. Les chercheurs ont démontré qu’il est toutefois possible de fabriquer du Q-carbon artificiellement. L’utilisation de Q-carbon pour créer des diamants artificiels présente une structure mono-cristalline rendant les pierres créées plus fortes que les matériaux polycristallins communs.

Le procédé de fabrication ne nécessite pas de chambre surchauffée; il se réalise à température ambiante. La première étape consiste à recouvrir une couche de carbone amorphe non cristalline d’un substrat de saphir, de verre ou de polymère plastique. Ensuite, une impulsion laser très énergique d’une durée de 200 nano-secondes fait exploser cette couche de carbone, faisant augmenter rapidement sa température à environ 4 000 K ou 3 727 °C. Il faut ensuite refroidir rapidement cette couche pour obtenir une nouvelle forme cristalline unique. En contrôlant la vitesse de refroidissement, des structures de diamant sont reproduites.

« La force de Q-carbon associée à sa propriété de libérer des électrons permet d’envisager le développement de nouvelles technologies d’affichage électroniques », a déclaré J. Narayan. Ils ont aussi noté comment en changeant la durée de l’impulsion laser et le type de substrat, le produit final peut être modifié. Outre la production de carbone monocristallin, d’autres structures non-diamantaires ont été trouvées dans leurs expériences.

Ce processus peut être réalisé à coûts relativement faibles. Le diamant produit à partir de Q-carbon est plus dur que le diamant naturel, affiche des capacités ferromagnétiques (quelque chose de complètement nouveau) et brille sous de faibles niveaux d’énergie. Il y a encore beaucoup de propriétés et d’applications à découvrir; le potentiel pourrait être très important.

Applications et potentiel du Q-carbon

Les auteurs ont conçu de grandes feuilles de ce matériau pour l’industrie pharmacologique. Ces applications permettraient d’améliorer les procédés industriels basés sur les diamants artificiels et les nanostructures complexes comme les nanodots de diamant ou les micro-aiguilles.

Articles de recherche

Ces travaux ont été publiés dans deux articles de recherche :

  1. « Novel Phase of Carbon, Ferromagnetism and Conversion into Diamond » peut être trouvée ici;
  2. « Direct conversion of amorphous carbon into diamond at ambient pressures and temperatures in air » peut être trouvée ici.

 

Luis Felipe Gerlein Reyes

Profil de l'auteur(e)

Luis Felipe Gerlein est étudiant au doctorat à l’ÉTS. Ses recherches portent sur la nanofabrication et la caractérisation de dispositifs optoélectroniques à base de chalcogénures de plomb, de nanostructures à base de carbone et de matériaux pérovskite.

Programme : Génie électrique 

Chaire de recherche : Chaire de recherche du Canada sur les matériaux et composants optoélectroniques hybrides 

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