Le diamant naturel est forgé par des pressions et des températures énormes profondément sous terre. Mais le diamant synthétique peut être cultivé par nucléation, où de minuscules morceaux de diamant "semencent" la croissance de cristaux de diamant plus gros. La même chose se passe dans les nuages, où les particules ensemencent la croissance de cristaux de glace qui se fondent ensuite en gouttes de pluie.

Les scientifiques ont maintenant observé pour la première fois comment les diamants poussent à partir de graines à un niveau atomique, et découvert à quel point les graines doivent être grosses pour donner un coup de fouet au processus de croissance du cristal.

Les résultats, publié cette semaine dans Actes de l'Académie nationale des sciences , faire la lumière sur la façon dont la nucléation se déroule non seulement dans les diamants, mais dans l'atmosphère, dans les cristaux de silicium utilisés pour les puces informatiques et même dans les protéines qui s'agglutinent dans les maladies neurologiques.

"La croissance de la nucléation est un principe fondamental de la science des matériaux, et il y a une théorie et une formule qui décrivent comment cela se passe dans chaque manuel, " dit Nicolas Melosh, professeur à l'Université de Stanford et au laboratoire national d'accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie qui a dirigé la recherche. "C'est ainsi qu'on décrit le passage d'une phase matérielle à une autre, par exemple de l'eau liquide à la glace."

Mais de façon intéressante, il dit, "malgré la généralisation de ce procédé partout, la théorie sous-jacente n'avait jamais été testée expérimentalement, car observer comment la croissance cristalline commence à partir de graines à l'échelle atomique est extrêmement difficile."

Les plus petites taches possibles

En réalité, les scientifiques savent depuis longtemps que la théorie actuelle surestime souvent la quantité d'énergie nécessaire pour lancer le processus de nucléation, et pas mal. Ils ont trouvé des moyens potentiels de réconcilier la théorie avec la réalité, mais jusqu'à présent, ces idées n'ont été testées qu'à une échelle relativement grande, par exemple avec des molécules de protéines, plutôt qu'à l'échelle atomique où commence la nucléation.

Pour voir comment cela fonctionne à la plus petite échelle, Melosh et son équipe se sont tournés vers les diamantoïdes, les plus petits morceaux de diamant possibles. Les plus petits ne contiennent que 10 atomes de carbone. Ces taches sont au centre d'un programme financé par le DOE au SLAC et à Stanford où les diamantoïdes naturels sont isolés des fluides pétroliers, triés par taille et par forme et étudiés. Des expériences récentes suggèrent qu'ils pourraient être utilisés comme blocs de type Lego pour l'assemblage de nanofils ou « enclumes moléculaires » pour déclencher des réactions chimiques, entre autres.

La dernière série d'expériences a été dirigée par le chercheur postdoctoral de Stanford, Matthew Gebbie. Il s'intéresse à la chimie des interfaces - des lieux où une phase de la matière en rencontre une autre, par exemple la frontière entre l'air et l'eau. Il s'avère que les interfaces sont extrêmement importantes dans la culture des diamants avec un processus appelé CVD, ou dépôt chimique en phase vapeur, qui est largement utilisé pour fabriquer des diamants synthétiques pour l'industrie et la joaillerie.

"Ce qui me passionne, c'est de comprendre comment la taille, la forme et la structure moléculaire influencent les propriétés des matériaux qui sont importants pour les technologies émergentes, " dit Gebbie. "Cela inclut les diamants à l'échelle nanométrique pour une utilisation dans les capteurs et dans l'informatique quantique. Nous devons les fabriquer de manière fiable et avec une qualité élevée et constante."

Diamant ou mine de crayon ?

Pour faire pousser du diamant en laboratoire avec CVD, de minuscules morceaux de diamant broyé sont ensemencés sur une surface et exposés à un plasma – un nuage de gaz chauffé à des températures si élevées que les électrons sont arrachés à leurs atomes. Le plasma contient de l'hydrogène et du carbone, les deux éléments nécessaires pour former un diamant.

Ce plasma peut soit dissoudre les graines, soit les faire croître, Gebbie dit, et la compétition entre les deux détermine si de plus gros cristaux se forment. Comme il existe de nombreuses façons d'emballer des atomes de carbone dans un solide, tout doit être fait dans les bonnes conditions; sinon vous pouvez vous retrouver avec du graphite, communément appelée mine de crayon, au lieu des trucs brillants que vous recherchiez.

Les graines de diamantoïde donnent aux scientifiques un niveau de contrôle beaucoup plus fin sur ce processus. Bien qu'ils soient trop petits pour être vus directement, même avec les microscopes les plus puissants, ils peuvent être triés avec précision en fonction du nombre d'atomes de carbone qu'ils contiennent, puis attachés chimiquement à la surface d'une plaquette de silicium afin qu'ils soient épinglés en place tout en étant exposés au plasma. Les cristaux qui poussent autour des graines finissent par devenir assez gros pour être comptés au microscope, et c'est ce que les chercheurs ont fait.

Le nombre magique est 26

Bien que les diamantoïdes aient déjà été utilisés pour ensemencer la croissance des diamants, il s'agissait des premières expériences visant à tester les effets de l'utilisation de graines de différentes tailles. L'équipe a découvert que la croissance cristalline avait vraiment décollé avec des graines contenant au moins 26 atomes de carbone.

Plus important encore, Gebbie dit, ils ont pu mesurer directement la barrière énergétique que les particules diamantoïdes doivent surmonter pour se transformer en cristaux.

"On pensait que cette barrière devait être comme une montagne gigantesque que les atomes de carbone ne devraient pas pouvoir traverser - et, En réalité, pendant des décennies, il y a eu une question ouverte de pourquoi nous pourrions même faire des diamants en premier lieu, " dit-il. " Ce que nous avons trouvé ressemblait plus à une colline douce. "

Gebbie ajoute, "C'est vraiment de la recherche fondamentale, mais à la fin de la journée, ce qui nous passionne vraiment et pour lequel nous cherchons, c'est un moyen prévisible et fiable de fabriquer des nanomatériaux de diamant. Maintenant que nous avons développé les connaissances scientifiques sous-jacentes nécessaires pour ce faire, nous chercherons des moyens de mettre ces nanomatériaux de diamant en pratique. »