Cela ressemble à de l'alchimie :prenez un tas de poussière blanche, le presser dans une chambre de pression diamantée, puis explosez-le avec un laser. Ouvrez la chambre et trouvez un nouveau grain microscopique de diamant pur à l'intérieur.

Une nouvelle étude de l'Université de Stanford et du SLAC National Accelerator Laboratory révèle comment, avec un réglage minutieux de la chaleur et de la pression, cette recette peut produire des diamants à partir d'un type de molécule d'hydrogène et de carbone que l'on trouve dans le pétrole brut et le gaz naturel.

"Ce qui est passionnant dans cet article, c'est qu'il montre un moyen de tromper la thermodynamique de ce qui est généralement requis pour la formation du diamant, " a déclaré le géologue de Stanford Rodney Ewing, un co-auteur sur le papier, publié le 21 février dans la revue Avancées scientifiques .

Les scientifiques synthétisent des diamants à partir d'autres matériaux depuis plus de 60 ans, mais la transformation nécessite généralement des quantités excessives d'énergie, temps ou l'ajout d'un catalyseur, souvent un métal, qui tend à diminuer la qualité du produit final. "Nous voulions voir juste un système propre, dans lequel une seule substance se transforme en diamant pur - sans catalyseur, " a déclaré l'auteur principal de l'étude, Parc Sulgiye, chercheur postdoctoral à la Stanford's School of Earth, Sciences de l'énergie et de l'environnement (Stanford Earth).

Comprendre les mécanismes de cette transformation sera important pour les applications au-delà de la joaillerie. Propriétés physiques du diamant :dureté extrême, transparence optique, stabilité chimique, conductivité thermique élevée - en font un matériau précieux pour la médecine, industrie, technologies de l'informatique quantique et détection biologique.

"Si vous pouvez faire même de petites quantités de ce diamant pur, alors vous pouvez le doper de manière contrôlée pour des applications spécifiques, " a déclaré l'auteur principal de l'étude, Yu Lin, membre du personnel scientifique du Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) au SLAC National Accelerator Laboratory.

Une recette naturelle

Les diamants naturels cristallisent à partir de carbone à des centaines de kilomètres sous la surface de la Terre, où les températures atteignent des milliers de degrés Fahrenheit. La plupart des diamants naturels découverts à ce jour ont explosé lors d'éruptions volcaniques il y a des millions d'années, transportant d'anciens minéraux de l'intérieur profond de la Terre avec eux.

Par conséquent, les diamants peuvent donner un aperçu des conditions et des matériaux qui existent à l'intérieur de la planète. "Les diamants sont des récipients pour rapporter des échantillons des parties les plus profondes de la Terre, " a déclaré Wendy Mao, physicienne des minéraux de Stanford, qui dirige le laboratoire où Park a réalisé la plupart des expériences de l'étude.

Pour synthétiser des diamants, l'équipe de recherche a commencé avec trois types de poudre raffinée à partir de pétroliers remplis de pétrole. "C'est un petit montant, " a déclaré Mao. "Nous utilisons une aiguille pour ramasser un peu pour le passer au microscope pour nos expériences."

En un clin d'oeil, l'inodore, les poudres légèrement collantes ressemblent à du sel gemme. Mais un œil entraîné qui regarde à travers un microscope puissant peut distinguer les atomes disposés dans le même schéma spatial que les atomes qui composent le cristal de diamant. C'est comme si le réseau complexe de diamants avait été découpé en unités plus petites composées d'un, deux ou trois cages.

Contrairement au diamant, qui est du carbone pur, les poudres, appelées diamantoïdes, contiennent également de l'hydrogène. "En commençant par ces blocs de construction, " Mao a dit, "vous pouvez faire du diamant plus rapidement et plus facilement, et vous pouvez également en apprendre davantage sur le processus de manière plus complète, manière réfléchie que si vous imitez simplement la haute pression et la haute température trouvées dans la partie de la Terre où le diamant se forme naturellement."

Les diamantoïdes sous pression

Les chercheurs ont chargé les échantillons de diamantoïde dans une chambre de pression de la taille d'une prune appelée cellule à enclume de diamant, qui presse la poudre entre deux diamants polis. D'un simple tour de vis à la main, l'appareil peut créer le type de pression que vous pourriez trouver au centre de la Terre.

Prochain, ils ont chauffé les échantillons avec un laser, examiné les résultats avec une batterie de tests, et a exécuté des modèles informatiques pour aider à expliquer comment la transformation s'était déroulée. "Une question fondamentale à laquelle nous avons essayé de répondre est de savoir si la structure ou le nombre de cages affecte la façon dont les diamantoïdes se transforment en diamant, " dit Lin. Ils ont trouvé que le diamantoïde à trois cages, appelé triamantane, peut se réorganiser en diamant avec étonnamment peu d'énergie.

À 900 Kelvin, soit environ 1160 degrés Fahrenheit, ou la température de la lave rouge et 20 gigapascals, une pression des centaines de milliers de fois supérieure à celle de l'atmosphère terrestre, les atomes de carbone du triamantane s'alignent et son hydrogène se disperse ou tombe.

La transformation se déroule dans les fractions de seconde les plus minces. C'est aussi direct :les atomes ne traversent pas une autre forme de carbone, comme le graphite, sur leur chemin pour faire du diamant.

La taille minuscule de l'échantillon à l'intérieur d'une cellule d'enclume de diamant rend cette approche peu pratique pour synthétiser bien plus que les grains de diamant que l'équipe de Stanford a produits en laboratoire, dit Mao. "Mais maintenant, nous en savons un peu plus sur les clés de la fabrication de diamants purs."