Ce verre de carbone novateur est capable de rayer le diamant

Une découverte qui défriche une nouvelle piste de recherche, et pourrait changer bien des choses en science des matériaux.

Des chercheurs chinois viennent de mettre au point un nouveau type de matériau vitreux semblable au verre, mais à base de carbone, si résistant qu’il est capable de rayer du diamant. Cela pourrait changer bien des choses en science des matériaux; car dans cette discipline, le diamant dispose d’une place à part. Il est célèbre pour ses propriétés, notamment sa dureté exceptionnelle. Traditionnellement, pour mesurer cette dureté, il suffit d’essayer de rayer un premier matériau avec un second; le plus dur des deux va rayer le plus mou, mais l’inverse aura bien du mal à se produire. Et sans surprise, le diamant se trouve (presque) tout en haut de cette échelle;  il est capable de rayer presque tous les matériaux connus, mais il est presque impossible de l’endommager. Il sert donc de référence pour mesurer la dureté de nombreux autres matériaux.

Cette particularité vient directement de sa structure atomique. En effet, un diamant pur est intégralement constitué d’atomes de carbone, qui sont chacuns capables de former quatre liaisons avec leurs voisins. Au sein de ces pierres précieuses, les atomes sont disposés dans une structure cristalline, c’est à dire répétitive et ordonnée, où chacun peut former autant de liaisons que possible; ils s’agrippent donc fermement à leurs voisins, ce qui donne une résistance exceptionnelle à la structure.

Le meilleur des deux mondes

En revanche, pour certains matériaux comme le verre – on parle de solides anamorphes -, la situation est très différente. Les atomes y sont disposés dans un désordre complet, ce qui rend l’ensemble fragile. Mais ils disposent d’autres propriétés intéressantes, notamment en termes de conductivité optique et électronique. Les chercheurs se sont donc demandés s’il n’y avait pas une façon de tirer le meilleur de ces deux structures, en produisant un matériau aussi structuré et solide que le diamant, mais avec des propriétés de matériau anamorphe.

Pour ce faire, les chercheurs de l’université de Yashan ont coopéré avec des chercheurs suédois, américains, allemands et russes; ensemble, ils sont partis de “buckyballs”, de petits ballons de football constitués de 60 atomes de carbone. Ils les ont soumises à des conditions de pression et de température infernales; ce faisant, ils ont forcé les atomes de carbone à occuper le moins d’espace possible, se rapprochant ainsi de la structure d’un diamant, mais sans adopter les propriétés d’un vrai cristal.

Le premier d’une longue série ?

Ces tests ont produit plusieurs matériaux anamorphes à base de carbone, que l’on pourrait vulgairement qualifier de “verre de carbone”. Et c’est l’un d’entre eux, baptisé AM-III, qui a stupéfait les chercheurs. AM-III a la particularité de présenter des propriétés semi-conductrices, tout en étant capable de rayer du diamant lors d’un test de dureté de Vickers. Sur cette échelle, ce nouveau matériau a atteint un score de dureté entre 110 et 116 gigapascals. A titre de comparaison, un diamant synthétique d’excellente facture, sans les impuretés d’un diamant naturel, atteindrait un score de 111.

On pourrait ainsi imaginer que l’AM-III serve de base à de nouveaux matériaux, ultra-résistants, mais disposant de propriétés semiconductrices. Pour autant, les applications concrètes d’une telle technologie ne sont pas encore très claires; autant le dire tout de suite, ce n’est pas demain que vous pourrez remplacer la vitre de votre smartphone par de du verre de carbone. Mais l’intérêt principal de ces travaux réside avant tout dans la preuve de concept qu’ils apportent. Cette étude a certainement attiré l’attention d’autres ingénieurs en sciences des matériaux, qui pourront s’en inspirer pour développer de nouveaux matériaux anamorphes sur lesquels expérimenter. Car à bien des égards, AM-III n’était qu’un simple brouillon; le protocole expérimental pourra certainement être amélioré, puis diversifié afin d’explorer toutes les propriétés étranges de ces matériaux.

Source: jdg