Déformation élastique ultralarge et réversible. Crédit :MIT
Le diamant est le matériau naturel le plus résistant sur Terre. Il est également réputé pour sa grande rigidité, conductivité thermique exceptionnelle, haute résistance chimique, et une transparence optique élevée. Bien que ces propriétés remarquables rendent le diamant hautement souhaitable pour des applications scientifiques et technologiques, les progrès ont été lents en raison de sa fragilité.
Une étude récente impliquant UNIST a déterminé que les diamants cassants peuvent être pliés et étirés de manière élastique lorsqu'ils sont transformés en aiguilles ultrafines.
Cette percée a été menée conjointement par l'équipe du professeur distingué Feng Ding du Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM), au sein de l'Institut des sciences fondamentales (IBS) de l'UNIST, en collaboration avec une équipe internationale de chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT), Université de la ville de Hong Kong, et l'Université technologique de Nanyang. Les résultats de l'étude ont été rapportés dans Science .
L'équipe a démontré que leurs aiguilles en diamant nanométriques pouvaient fléchir et s'étirer jusqu'à 9 % sans se casser, et reprennent leur forme initiale. Leur découverte renverse complètement les découvertes précédentes de la fragilité du diamant. Leurs résultats pourraient ouvrir des possibilités sans précédent pour le réglage de son optique, optomécanique, magnétique, phononique, et les propriétés catalytiques grâce à l'ingénierie des déformations élastiques.
"L'élasticité ultra-élevée du diamant est due à la rareté des défauts internes."
Le diamant ordinaire en vrac a une limite bien inférieure à un pour cent d'étirement, selon les chercheurs. Dans l'étude, Le groupe du professeur Ming s'est occupé du calcul chimique et de l'analyse de la structure cristalline du diamant et a attribué que l'élasticité ultra-élevée des nanoaiguilles de diamant est due à la rareté des défauts internes et à la surface relativement lisse.
Aiguilles de diamant à l'échelle nanométrique, développé par l'équipe de recherche de la City University of Hong Kong. Crédit :UNIST
"Les diamants, naturel ou artificiel, ont des défauts internes dans leur structure cristalline, " dit le professeur Ding. " Lorsqu'une force extérieure est appliquée à ces défauts, ils peuvent se fissurer et éventuellement se casser."
Dans l'étude, via des simulations détaillées, Le professeur Ding a déterminé avec précision combien de stress et de tension les aiguilles de diamant pouvaient supporter sans se casser. Il a déterminé que la contrainte locale maximale correspondante était proche de la limite théorique connue réalisable avec un parfait, diamant sans défaut. Il a noté que les diamants sans défaut peuvent s'étirer jusqu'à 12% sans se casser.
"Les aiguilles en diamant se sont étirées et fléchies jusqu'à 9% sans aucune rupture."
L'équipe de recherche de la City University of Hong Kong a réussi à fabriquer des aiguilles de diamant à l'échelle nanométrique par gravure induite par plasma de couches minces de diamant déposées sur des substrats de Si par dépôt chimique en phase vapeur assisté par polarisation (CVD). Par conséquent, l'équipe a pu démontrer ultralarge, déformation élastique entièrement réversible d'aiguilles de diamant monocristallines et polycristallines à l'échelle nanométrique (~300 nanomètres).
L'équipe a mesuré la flexion des aiguilles de diamant, qui ont été cultivés par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur, puis gravés à leur forme finale, en les observant au microscope électronique à balayage tout en appuyant sur les aiguilles avec une pointe de diamant nanoindenteur standard. Ils ont démontré expérimentalement que les aiguilles monocristallines sont simultanément ultrarésistantes et sensibles à une grande déformation élastique, avec une déformabilité mécanique entièrement réversible jusqu'à un maximum de 9 pour cent de la contrainte de traction élastique.
L'équipe de recherche s'attend à ce que leurs résultats puissent conduire à une amélioration des performances des applications, impliquant la bio-imagerie et la biodétection, résonateurs nanomécaniques à contrainte, l'administration de médicaments, stockage de données, et dispositifs optomécaniques, ainsi que des nanostructures ultrarésistantes. Outre, Le professeur Ding a noté qu'une grande déformation élastique dans les aiguilles de diamant à l'échelle nanométrique conviendra à une utilisation dans les écrans flexibles et pliables de nouvelle génération.
