Structures simulées montrant le matériau de départ (à gauche) du carbone 60 « buckyballs » (magenta) et du solvant m-xylène (bleu) et sa forme superdure (à droite) après avoir été comprimé à plus de 400, 000 atmosphères de pression à l'intérieur d'une cellule à enclume de diamant. Bien que les buckyballs écrasés soient amorphes, le solvant préservait l'ordre cristallin à longue distance du matériau. Image de Lin Wang, Institution Carnegie de Washington
(Phys.org) -- Une équipe de scientifiques dirigée par Lin Wang de Carnegie a observé une nouvelle forme d'amas de carbone très dur, qui sont inhabituels dans leur mélange de structure cristalline et désordonnée. Le matériau est capable d'indenter le diamant. Cette découverte a des applications potentielles pour une gamme de électronique, et les utilisations électrochimiques. L'ouvrage est publié dans Science le 17 août.
Le carbone est le quatrième élément le plus abondant de l'univers et prend une grande variété de formes :le graphène en nid d'abeille, le crayon "plomb" graphite, diamant, nanotubes à structure cylindrique, et des sphères creuses appelées fullerènes.
Certaines formes de carbone sont cristallines, ce qui signifie que la structure est organisée en unités atomiques répétitives. D'autres formes sont amorphes, ce qui signifie que la structure n'a pas l'ordre à longue distance des cristaux. Les produits hybrides qui combinent à la fois des éléments cristallins et amorphes n'avaient pas été observés auparavant, bien que les scientifiques croyaient qu'ils pouvaient être créés.
L'équipe de Wang, y compris Wenge Yang de Carnegie, Zhenxian Liu, Stanislav Sinogeikin, et Yue Meng—a commencé avec une substance appelée cages en carbone 60, fait de boules de carbone hautement organisées constituées d'anneaux pentagone et hexagonal liés ensemble pour former un rond, forme creuse. Un solvant organique de xylène a été placé dans les espaces entre les billes et a formé une nouvelle structure. Ils ont ensuite appliqué une pression sur cette combinaison de cages en carbone et de solvant, pour voir comment il a changé sous différentes contraintes.
Une microphotographie optique d'une surface d'enclume en diamant montre deux « fissures annulaires » (flèches magenta) après avoir été utilisée pour comprimer un matériau de buckeyball/xylène avec près de 330, 000 atmosphères de pression. Les fissures indiquent que le matériau concassé est « superdur »., C'est, presque aussi dur que le diamant, le matériau en vrac le plus dur au monde. Image de Lin Wang, Institution Carnegie de Washington
A une pression relativement basse, la structure de la cage en carbone 60 est restée. Mais à mesure que la pression augmentait, les structures des cages ont commencé à s'effondrer en amas de carbone plus amorphes. Cependant, les amas amorphes occupent toujours leurs sites d'origine, formant une structure en treillis.
L'équipe a découvert qu'il existe une fenêtre de pression étroite, environ 320, 000 fois l'atmosphère normale, sous lequel ce nouveau carbone structuré est créé et ne rebondit pas vers la structure de la cage lorsque la pression est supprimée. Ceci est crucial pour trouver des applications pratiques pour le nouveau matériau à l'avenir.
Ce matériau était capable d'enfoncer l'enclume en diamant utilisée pour créer les conditions de haute pression. Cela signifie que le matériau est super dur.
Si le solvant utilisé pour préparer la nouvelle forme de carbone est éliminé par traitement thermique, le matériau perd sa périodicité réticulaire, indiquant que le solvant est crucial pour maintenir la transition chimique qui sous-tend la nouvelle structure. Parce qu'il existe de nombreux solvants similaires, il est théoriquement possible qu'un réseau d'éléments similaires, mais légèrement différent, des réseaux de carbone pourraient être créés en utilisant cette méthode de pression.
"Nous avons créé un nouveau type de matériau carbone, celui qui est comparable au diamant dans son incapacité à être compressé, " a dit Wang. " Une fois créé sous des pressions extrêmes, ce matériau peut exister dans des conditions normales, ce qui signifie qu'il pourrait être utilisé pour un large éventail d'applications pratiques."
