Au lieu d'avoir à utiliser des tonnes de force d'écrasement et de chaleur volcanique pour forger des diamants, des chercheurs de la Case Western Reserve University ont mis au point un moyen de fabriquer à moindre coût des nanodiamants sur une paillasse de laboratoire à pression atmosphérique et près de la température ambiante.

Les nanodiamants sont formés directement à partir d'un gaz et ne nécessitent aucune surface pour croître.

La découverte est prometteuse pour de nombreuses utilisations dans la technologie et l'industrie, tels que le revêtement de plastiques avec de la poudre de diamant ultrafine et la fabrication d'électronique flexible, implants, dispositifs d'administration de médicaments et plus de produits qui tirent parti des propriétés exceptionnelles du diamant.

Leur enquête est publiée aujourd'hui dans la revue scientifique Communication Nature . Les résultats s'appuient sur une tradition de recherche sur les diamants à Case Western Reserve.

Au-delà de ses applications, la découverte peut offrir un aperçu de notre univers :une explication de la façon dont les nanodiamants vus dans l'espace et trouvés dans les météorites peuvent être formés.

"Ce n'est pas un processus complexe :la vapeur d'éthanol à température et pression ambiante est convertie en diamant, " dit Mohan Sankaran, professeur agrégé de génie chimique à Case Western Reserve et responsable du projet. "Nous faisons passer le gaz à travers un plasma, ajouter de l'hydrogène et sortir des nanoparticules de diamant. Nous pouvons les assembler et les fabriquer dans presque tous les laboratoires. »

Le processus de fabrication de ces petites "pierres éternelles" ne fera pas fondre le plastique, il est donc bien adapté à certaines applications de haute technologie. Diamant, réputé pour être dur, a d'excellentes propriétés optiques et la plus grande vitesse du son et conductivité thermique de tous les matériaux.

Contrairement à l'autre forme de carbone, graphite, le diamant est un semi-conducteur, semblable au silicium, qui est le matériau dominant dans l'industrie électronique, et l'arséniure de gallium, qui est utilisé dans les lasers et autres dispositifs optiques.

Bien que le processus soit simple, trouver les bonnes concentrations et les bons débits – ce que les chercheurs appellent le « sweet spot » – a pris du temps.

Les autres chercheurs impliqués étaient le chercheur postdoctoral Ajay Kumar, Doctorante Pin Ann Lin, et étudiant de premier cycle Albert Xue, de la réserve Case Western; et professeur de physique Yoke Khin Yap et étudiant diplômé Boyi Hao, de l'Université technique du Michigan.

Sankaran et John Angus, professeur émérite de génie chimique, a eu l'idée de faire pousser des nanodiamants sans chaleur ni pression il y a environ huit ans. Les recherches d'Angus dans les années 1960 et 1970 l'ont amené, ainsi que d'autres, à concevoir un moyen de faire pousser des films de diamant à basse pression et à haute température, un processus connu sous le nom de dépôt chimique en phase vapeur qui est maintenant utilisé pour fabriquer des revêtements sur des disques d'ordinateur et des lames de rasoir. spécialité de Sankaran, pendant ce temps, fabrique des nanoparticules à l'aide de microplasmas froids.

Il faut généralement des pressions et des températures élevées pour convertir le graphite en diamant ou une combinaison d'hydrogène gazeux et d'un substrat chauffé pour faire pousser du diamant plutôt que du graphite.

"Mais à l'échelle nanométrique, l'énergie de surface rend le diamant plus stable que le graphite, " a expliqué Sankaran. " Nous avons pensé que si nous pouvions nucléer des amas de carbone en phase gazeuse de moins de 5 nanomètres, ils seraient du diamant au lieu du graphite même à pression et température normales."

Après plusieurs hauts et bas avec l'effort, le processus s'est mis en place lorsque Kumar a rejoint le laboratoire de Sankaran. Les ingénieurs ont produit du diamant un peu comme ils produiraient de la suie de carbone.

Ils créent d'abord un plasma, qui est un état de la matière similaire à un gaz mais dont une partie se charge, ou ionisé. Une étincelle est un exemple de plasma, mais il fait chaud et incontrôlable.

Pour obtenir des températures plus fraîches et plus sûres, ils ionisaient le gaz argon lorsqu'il était pompé hors d'un tube d'un diamètre d'un cheveu, créer un microplasme. Ils ont pompé de l'éthanol - la source de carbone - à travers le microplasme, où, semblable à la combustion d'un combustible, le carbone se libère des autres molécules du gaz, et donne des particules de 2 à 3 nanomètres, assez petit pour qu'ils se transforment en diamant.

En moins d'une microseconde, ils ajoutent de l'hydrogène. L'élément élimine le carbone qui ne s'est pas transformé en diamant tout en stabilisant simultanément la surface des particules de diamant.

Le diamant formé n'est pas les gros cristaux parfaits utilisés pour faire des bijoux, mais est une poudre de particules de diamant. Sankaran et Kumar fabriquent désormais régulièrement des diamants de haute qualité d'un diamètre moyen de 2 nanomètres.

Les chercheurs ont passé environ un an à tester pour vérifier qu'ils produisaient des diamants et que le processus pouvait être reproduit, dit Kumar. L'équipe a effectué elle-même différents tests et a fait appel au laboratoire de Yap pour analyser les nanoparticules par spectroscopie Raman.

Actuellement, les nanodiamants sont fabriqués en faisant exploser un explosif dans une cuve de réacteur pour fournir de la chaleur et de la pression. Les particules de diamant doivent ensuite être éliminées et purifiées des éléments contaminants massés autour d'elles. Le processus est rapide et bon marché, mais les nanodiamants s'agrègent et sont de taille et de pureté variables.

La nouvelle recherche offre des implications prometteuses. Nanodiamants, par exemple, sont testés pour transporter des médicaments vers les tumeurs. Parce que le diamant n'est pas reconnu comme un envahisseur par le système immunitaire, il n'évoque pas de résistance, la principale raison de l'échec de la chimiothérapie.

Sankaran a déclaré que ses nanodiamants pourraient offrir une alternative aux diamants fabriqués par des méthodes de détonation, car ils sont plus purs et plus petits.

Le processus du groupe produit trois sortes de diamants :environ la moitié sont cubiques, la même structure que les diamants gemmes, un petit pourcentage est une forme suspectée d'avoir de l'hydrogène piégé à l'intérieur et environ la moitié sont de la lonsdaléite, une forme hexagonale trouvée dans la poussière interstellaire mais rarement trouvée sur Terre.

Un article récent dans la revue Lettres d'examen physique suggère que lorsque la poussière interstellaire entre en collision, une pression si élevée est impliquée que le carbone graphitique se transforme en nanodiamants londsdaléite.

Sankaran et Kumar soutiennent qu'une alternative sans exigence de haute pression, comme leur méthode, devrait être considéré, trop.

"Peut-être que nous fabriquons du diamant de la même manière que le diamant est parfois fabriqué dans l'espace, " proposa Sankaran. " L'éthanol et les plasmas existent dans l'espace, et nos nanodiamants sont similaires en taille et en structure à ceux trouvés dans l'espace."

Le groupe étudie maintenant s'il peut affiner le processus pour contrôler quelle forme de diamant est fabriquée, analyser les structures et déterminer si chacune a des propriétés différentes. Lonsdaléite, par exemple, est plus dur que le diamant cubique.

Les chercheurs ont fabriqué une sorte de peinture en aérosol au nanodiamant. "Nous pouvons le faire en une seule étape, en pulvérisant les nanodiamants au fur et à mesure qu'ils sont produits à partir du plasma et purifiés à l'hydrogène, enduire une surface, ", a déclaré Kumar.

Et ils travaillent à étendre le processus à une utilisation industrielle.

"Est-ce qu'ils seront capables de s'agrandir? C'est toujours un tournage de merde, " dit Angus. " Mais je pense que cela peut être fait, et à des tarifs très élevés et bon marché. Finalement, cela peut prendre quelques années pour y arriver, mais il n'y a aucune raison théorique que cela ne puisse pas être fait."

Si le processus à grande échelle est aussi simple et bon marché que le processus de laboratoire, l'industrie trouvera de nombreuses applications pour le produit, dit Sankaran.