(Phys.org) — Des feuilles de diamant parfaites de quelques atomes d'épaisseur semblent être possibles même sans la grande pression qui fait les pierres précieuses naturelles.

Les scientifiques ont spéculé à ce sujet et quelques laboratoires ont même vu des signes de ce qu'ils appellent le diamane, un film de diamant extrêmement mince qui possède toutes les propriétés semi-conductrices et thermiques supérieures du diamant.

Maintenant, des chercheurs de l'Université Rice et en Russie ont calculé un "diagramme de phase" pour la création de diamane. Le schéma est une feuille de route. Il énonce les conditions – température, pression et d'autres facteurs - qui seraient nécessaires pour transformer des feuilles de graphène empilées en un réseau de diamants impeccable.

Dans le processus, les chercheurs ont déterminé que le diamane pouvait être fabriqué entièrement chimiquement, sans aucune pression, dans certaines circonstances.

L'équipe dirigée par le physicien théoricien Rice Boris Yakobson et Pavel Sorokin, ancien associé postdoctoral chez Rice et maintenant chercheur principal à l'Institut technologique des matériaux superdurs et nouveaux en carbone à Moscou, résultats publiés dans la revue American Chemical Society Lettres nano .

"Les Diamanes ont un large champ d'application potentiel, " a déclaré Sorokin. "Ils peuvent être appliqués comme très minces, films durs diélectriques dans des nanocondensateurs ou rigides mécaniquement, éléments nanoépais en nanoélectronique. Aussi, diamanes ont un potentiel d'application en nano-optique.

"La possibilité d'obtenir un tel objet quasi bidimensionnel est intrigante, mais les données expérimentales disponibles empêchent d'espérer sa fabrication en utilisant des méthodes traditionnelles. Cependant, l'approche 'bottom-up' proposée par Richard Feynman permet la fabrication de diamanes à partir d'objets plus petits, comme le graphène."

Les chercheurs ont construit des modèles informatiques pour simuler les forces appliquées par chaque atome impliqué dans le processus. Cela inclut le graphène, la forme de carbone à un seul atome d'épaisseur et l'une des substances les plus fortes de l'univers, ainsi que l'hydrogène (ou, alternativement, un halogène) qui favorise la réaction.

Conditions, ils ont appris, doivent être justes pour qu'une courte pile de crêpes au graphène s'effondre en une matrice de diamant - ou vice versa - via la chimie.

"Un diagramme de phase vous montre quelle phase domine l'état fondamental pour chaque pression et température, " dit Yakobson. " Dans le cas du diamane, le schéma est inhabituel car le résultat dépend aussi de l'épaisseur, le nombre de couches de graphène. Nous avons donc un nouveau paramètre."

L'hydrogène n'est pas le seul catalyseur possible, il a dit, mais c'est celui qu'ils ont utilisé dans leurs calculs. "Quand l'hydrogène attaque, il prend un électron d'un atome de carbone dans le graphène. Par conséquent, une liaison est rompue et un autre électron reste suspendu de l'autre côté de la couche de graphène. Il est maintenant libre de se connecter à un atome de carbone sur la feuille adjacente avec peu ou pas de pression.

"Si vous avez plusieurs couches, vous obtenez un effet domino, où l'hydrogène commence une réaction au sommet et se propage à travers le système de carbone lié, " a-t-il dit. la transition de phase est complète et la structure cristalline est celle du diamant."

Yakobson a déclaré que le document ne couvrait pas une éventuelle rupture d'accord. "La conversion d'une phase à une autre commence à partir d'une petite graine, un site de nucléation, et dans ce processus, il y a toujours ce qu'on appelle une barrière de nucléation. Nous ne calculons pas cela ici. » Il a dit que le carbone préfère normalement être du graphite (la forme en vrac du carbone utilisé comme mine de crayon) plutôt que du diamant, mais une barrière de nucléation élevée empêche le diamant de faire la transition.

" Thermodynamiquement, un diamant existant devrait devenir du graphite, mais cela n'arrive pas exactement pour cette raison, " a déclaré Yakobson. " Alors parfois, c'est une bonne chose. Mais si nous voulons faire du diamant plat, nous devons trouver des moyens de contourner cet obstacle."

Il a dit que la fabrication du diamant synthétique, qui a été fabriqué de manière fiable dans les années 1950, nécessite des pressions très élevées de l'ordre de 725, 000 livres par pouce carré. Les diamants manufacturés sont utilisés dans les outils trempés pour la coupe, comme abrasifs et même comme pierres précieuses de haute qualité cultivées grâce à des techniques qui simulent les températures et les pressions trouvées au plus profond de la Terre, où le diamant naturel est forgé.

Les films de diamant sont également fabriqués de manière routinière par dépôt chimique en phase vapeur, "mais ils sont toujours de très mauvaise qualité parce qu'ils sont polycristallins, " dit Yakobson. " Pour des raisons mécaniques, comme du papier de verre très cher, Ils sont parfaits. Mais pour l'électronique, vous auriez besoin d'une haute qualité pour qu'il serve de semi-conducteur à large bande interdite."