Plus tôt cette année, le diamant amorphe a été synthétisé pour la première fois à l'aide d'une technique faisant appel à des pressions élevées, des températures modérément élevées et une infime quantité de carbone vitreux comme matière première. Une équipe père-fils de l'Université de Clemson a maintenant réussi à calculer un certain nombre de propriétés physiques de base pour cette nouvelle substance, y compris les constantes élastiques et les quantités associées. Les résultats sont publiés cette semaine dans Lettres de physique appliquée .
Le diamant est une forme de carbone pur dans lequel les atomes sont disposés dans un réseau cristallin, avec chaque atome de carbone entouré de quatre autres carbones aux coins d'un tétraèdre. Les liaisons carbone-carbone du diamant sont appelées liaisons sp3. L'arrangement ordonné des structures tétraédriques qui se répète sur de longues distances dans un cristal de diamant produit un matériau dur avec une stabilité à haute température. Le diamant est donc à la fois une pierre précieuse et un matériau aux usages technologiques variés.
Carbone amorphe, d'autre part, a des fractions variables de carbone à liaison sp3 dans un ordre désordonné, ou amorphe, matrice. La structure amorphe produit des propriétés mécaniques très souhaitables. La quantité de liaison sp3 dans le carbone amorphe n'est pas aussi élevée que dans le diamant pur. Une fraction des liaisons carbone-carbone sont de type sp2, trouvé dans d'autres formes de carbone telles que le graphite.
Le silicium et le germanium amorphes liés par Sp3 sont connus depuis de nombreuses années et sont largement utilisés dans le photovoltaïque, capteurs et transistors à couches minces, et d'autres applications de haute technologie. C'est d'un grand intérêt, alors, pour trouver des moyens de fabriquer un diamant amorphe qui conserve une fraction élevée de liaisons sp3. Bien que les travaux rapportés plus tôt cette année aient fait exactement cela, les échantillons ne sont pas encore largement disponibles pour les tests. Des tests préliminaires ont montré que ces diamants amorphes sont assez denses, optiquement transparent et résistant.
L'équipe père-fils d'Arthur et John Ballato a comblé cette lacune de connaissances pour calculer certaines propriétés physiques non encore mesurées de cette nouvelle forme de diamant. "Nous avons utilisé une approche de modélisation par laquelle on peut utiliser les propriétés du diamant cristallin pour déduire les propriétés de l'analogue de diamant vitreux, " dit Ballato. " Dans ce travail, nous avons déduit les propriétés élastiques de cette nouvelle phase du diamant à partir des propriétés mesurées du diamant cristallin."
La procédure qu'ils ont utilisée implique un modèle informatique d'un cristal qui est homogénéisé par ordinateur pour créer une version amorphe de la substance. Le modèle du cristal utilise simple, physique classique et décrit les liaisons carbone-carbone comme des ressorts. La méthode d'homogénéisation employée est connue sous le nom de technique Voigt-Reuss-Hill (VRH).
En utilisant cette approche, les Ballatos ont calculé un certain nombre de propriétés en vrac importantes, y compris le module de Young, Coefficient de Poisson et autres constantes élastiques pour la substance. Ils ont utilisé l'approche d'homogénéisation VRH dans des travaux antérieurs pour étudier le saphir vitreux et les matériaux d'intérêt à utiliser dans les lasers à haute puissance. La méthode VRH est plus simple et plus directe que les méthodes sophistiquées de mécanique quantique qui sont également disponibles, mais les propriétés calculées dans ce travail peuvent servir de référence, à la fois pour les plus sophistiqués, mais modélisation coûteuse, ainsi que pour de futures mesures expérimentales.
