La structure clathrate bipartite de type sodalite, qui se compose de cages "hôtes" octaédriques tronquées qui piègent les atomes "invités" de strontium, a été synthétisé dans des conditions de haute pression et de haute température en utilisant une technique de chauffage laser. Crédit :Tim Strobel.
Li Zhu et Timothy Strobel de Carnegie, Li Zhu et Timothy Strobel, ont prédit et synthétisé une classe très recherchée de matériaux à base de carbone "superdiamants" dotés de propriétés mécaniques et électroniques réglables. Leurs travaux sont publiés par Avancées scientifiques .
Le carbone est le quatrième élément le plus abondant de l'univers et est fondamental à la vie telle que nous la connaissons. Il est sans égal dans sa capacité à former des structures stables, à la fois seul et avec d'autres éléments.
Les propriétés d'un matériau sont déterminées par la manière dont ses atomes sont liés et les arrangements structurels créés par ces liaisons. Pour les matériaux à base de carbone, le type de collage fait la différence entre la dureté du diamant, qui possède des liaisons "sp3" tridimensionnelles, et la douceur du graphite, qui a des liaisons "sp2" bidimensionnelles, par exemple.
Malgré l'énorme diversité des composés carbonés, seulement une poignée de tridimensionnel, les matériaux à base de carbone à liaison sp3 sont connus, y compris le diamant. La structure de liaison tridimensionnelle rend ces matériaux très attrayants pour de nombreuses applications pratiques en raison d'une gamme de propriétés, notamment la résistance, dureté, et la conductivité thermique.
« Outre le diamant et certains de ses analogues qui incorporent des éléments supplémentaires, presque aucun autre matériau de carbone sp3 étendu n'a été créé, malgré de nombreuses prédictions de structures potentiellement synthétisables avec ce type de collage, " Strobel a expliqué. " Suivre un principe chimique qui indique que l'ajout de bore dans la structure améliorera sa stabilité, nous avons examiné une autre classe de matériaux carbonés liés en 3D appelés clathrates, qui ont une structure en treillis de cages qui piègent d'autres types d'atomes ou de molécules."
Les clathrates composés d'autres éléments et molécules sont courants et ont été synthétisés ou trouvés dans la nature. Cependant, les clathrates à base de carbone n'ont pas été synthétisés jusqu'à présent, malgré les prédictions de longue date de leur existence. Les chercheurs ont tenté de les créer pendant plus de 50 ans.
Tim Strobel et Li Zhu de Carnegie ont dirigé une équipe qui a utilisé des outils de recherche de structure avancés pour prédire le premier clathrate à base de carbone thermodynamiquement stable, puis synthétisé la structure du clathrate, qui est composé de cages carbone-bore qui piègent les atomes de strontium. Crédit :Tim Strobel.
Strobel, Zhu, et leur équipe — Gustav M. Borstad de Carnegie, Hanyu Liu, Piotr A. Gucka, Michel Guérette, Juli-Anna Dolyniuk, Yue Meng, et Ronald Cohen, ainsi qu'Eran Greenberg et Vitali Prakapenka de l'Université de Chicago et Brian L. Chaloux et Albert Epshteyn du U.S. Naval Research Laboratory—ont abordé le problème par une approche combinée de calcul et d'expérimentation.
« Nous avons utilisé des outils de recherche de structure avancés pour prédire le premier clathrate à base de carbone thermodynamiquement stable, puis synthétisé la structure du clathrate, qui est composé de cages carbone-bore qui piègent les atomes de strontium, dans des conditions de haute pression et de haute température, " dit Zhu.
Le résultat est un 3-D, cadre à base de carbone avec une liaison de type diamant qui est récupérable aux conditions ambiantes. Mais contrairement au diamant, les atomes de strontium piégés dans les cages rendent le matériau métallique, c'est-à-dire qu'il conduit l'électricité, avec un potentiel de supraconductivité à des températures particulièrement élevées.
Quoi de plus, les propriétés du clathrate peuvent changer en fonction des types d'atomes invités dans les cages.
"Les atomes invités piégés interagissent fortement avec les cages hôtes, " remarqua Strobel. " En fonction des atomes invités spécifiques présents, le clathrate peut être accordé d'un semi-conducteur à un supraconducteur, tout en maintenant robuste, obligations de type diamant. Étant donné le grand nombre de substitutions possibles, nous envisageons une toute nouvelle classe de matériaux à base de carbone avec des propriétés hautement ajustables."
"Pour tous ceux qui aiment ou dont les enfants aiment les Pokémon, cette structure de clathrate à base de carbone est comme l'Evoli des matériaux, " plaisanta Zhu. " Selon l'élément qu'il capture, il a des capacités différentes."
