Dans la nature, les diamants se forment profondément dans la Terre sur des milliards d'années. Ce processus nécessite des environnements avec une pression exceptionnellement élevée et des températures supérieures à 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 supplémentaire.

Nos résultats sont publiés dans la revue Petit .

Il y a plus d'une forme de diamant

Les atomes de carbone peuvent se lier de différentes manières pour former différents matériaux, notamment le graphite noir mou et le diamant transparent dur.

Il existe de nombreuses formes bien connues de carbone avec une liaison de type graphite, dont 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 semblable au diamant ?

Dans un diamant normal, les atomes sont disposés dans une structure cristalline cubique. Cependant, il est également possible d'arranger ces atomes de carbone pour qu'ils aient une structure cristalline hexagonale.

Cette forme différente de diamant est appelée Lonsdalite, 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 Lonsdalite, car il est prévu qu'il soit 58% plus dur que le diamant ordinaire, qui est déjà considéré comme le matériau naturel le plus dur sur Terre.

Il a d'abord été découvert dans la nature, sur le site du cratère météoritique Canyon Diablo en Arizona. De minuscules quantités de la substance ont depuis été synthétisées en laboratoire en chauffant et en comprimant du graphite, à l'aide d'une presse à haute pression ou d'explosifs.

Nos recherches montrent que la Lonsdaleite et le diamant ordinaire peuvent être formés à température ambiante dans un cadre de laboratoire, en appliquant simplement des pressions élevées.

Les nombreuses façons de faire un diamant

Les diamants sont synthétisés en laboratoire depuis 1954. Ensuite, Tracy Hall de General Electric les a créés en utilisant un processus qui imitait les conditions naturelles de la croûte terrestre, ajouter des catalyseurs métalliques pour accélérer le processus de croissance.

Le résultat était à haute pression, des diamants à haute température similaires à ceux trouvés dans la nature, mais souvent plus petit et moins parfait. Ceux-ci sont encore fabriqués aujourd'hui, principalement pour des applications industrielles.

L'autre méthode principale de fabrication du diamant est via un procédé chimique-gaz qui utilise un petit diamant comme "graine" pour faire pousser des diamants plus gros. Des températures d'environ 800℃ sont nécessaires. Alors que la croissance est assez lente, ces diamants peuvent devenir gros et relativement sans défaut.

La nature a fourni des indices 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 se forment les diamants d'impact ou extraterrestres. Il existe des preuves que, 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 impacté 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. D'où, les forces de cisaillement sont également appelées forces de « glissement ».

Faire des 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 la fois à des forces de cisaillement extrêmes et à des pressions élevées, pour favoriser la formation du diamant.

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 jamais vu auparavant, 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 "cisaillements" observés dans d'autres matériaux, dans lequel une zone étroite subit des expériences intenses, déformation localisée. Cela suggère que les forces de cisaillement ont été la clé de la formation de ces diamants à température ambiante.

Noix dures à casser

La possibilité de faire des diamants à température ambiante, en quelques minutes, ouvre de nombreuses possibilités de fabrication.

Spécifiquement, rendre la Lonsdaleite "plus dure que le diamant" de cette manière est une nouvelle passionnante pour les industries où des matériaux extrêmement durs sont nécessaires. Par exemple, le diamant est utilisé pour revêtir les forets et les lames afin de prolonger la durée de vie de ces outils.

Le prochain défi pour nous est de réduire la pression requise pour former les diamants.

Dans notre recherche, 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 ballerine !

Si le diamant et la Lonsdalite pouvaient être fabriqués à des pressions inférieures, nous pourrions en faire plus, plus rapide et moins cher.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.