Dans les sociétés d'aujourd'hui, le mot "diamant" évoque une série d'images. Cela implique des histoires de force, de richesse et de statut. Mais débarrassez-vous de ces associations et les utilisations scientifiques du matériau sont révélées. Les diamants sont transparents, extrêmement rigides et ne présentent aucun danger pour les tissus vivants. Récemment, des chercheurs ont commencé à développer des films de diamant polycristallin ultra-minces dans des laboratoires. Ces films, qui possèdent de nombreuses propriétés des pierres précieuses de diamant, pourraient avoir un certain nombre d'applications biomédicales et de détection. De plus, comme ils sont fabriqués à partir de carbone, ils ne nécessitent aucun matériau coûteux ou difficile à obtenir.

Le scientifique Dr. Stoffel Janssens, de l'unité de mécanique et des matériaux de l'Institut universitaire des sciences et technologies d'Okinawa (OIST), a simulé la croissance de films de diamant polycristallin poreux et fermés. Les films de diamant poreux - ceux avec des trous dispersés dans tout le film - pourraient un jour être utilisés comme plates-formes pour la croissance de neurones et d'autres cellules. Les simulations ont été un succès, révélant des structures géométriques intéressantes dans les films, et aboutissant à une publication dans Acta Materialia .

"Les simulations nous ont donné une vision prometteuse de ce que nous pourrions faire dans notre laboratoire", a expliqué le Dr Janssens. « Les films poreux nécessitent actuellement des techniques compliquées à fabriquer. Nous voulons pouvoir les créer de manière simple et rentable. Les simulations ont mis en lumière la durée pendant laquelle nous devrions faire pousser les films, la taille des grains et quelle nous pouvons attendre des résultats."

Pour faire croître des films de diamant polycristallin, des grains de nano-diamant sont ensemencés sur un substrat. Dans les bonnes conditions, ces grains se développeront en cristallites de diamant colonnaires qui se dilateront ensuite pour se connecter les unes aux autres. Au fil du temps, ces connexions se renforcent, ce qui donne un matériau robuste. Les simulations bidimensionnelles ont permis au Dr Janssens et à ses collaborateurs d'observer les conséquences détaillées de la variation de la taille des grains et de la distribution initiale des grains. Ils ont découvert qu'à mesure qu'un film de diamant se développe, les joints de grains qui se forment entre les grains créent un diagramme bien connu.

"C'est ce qu'on appelle le diagramme de Voronoi", a expliqué le Dr Janssens. "Il est connu des chercheurs dans de nombreux domaines différents de la science et de l'ingénierie, des biologistes modélisant les structures cellulaires et osseuses aux épidémiologistes cherchant à identifier la source d'une infection, en passant par les écologistes étudiant les schémas de croissance du couvert forestier."

Lorsque les chercheurs ont modifié la densité des grains, différentes variantes du diagramme sont apparues. Les simulations montrent qu'une densité initiale élevée de grains conduit à un diagramme qui ressemble à un motif en nid d'abeille avec des pores uniformément répartis sur le film, alors qu'une densité initiale de grains plus faible conduit à des distributions de pores moins uniformes.

Le Dr Janssens a également examiné les transitions topologiques qui se produisent à différentes étapes de la croissance d'un film. La première transition notable se produit lorsque tous les grains sont connectés, formant un film poreux. La deuxième transition notable se produit lorsque les grains sont fortement connectés, formant un film fermé sans aucun trou d'épingle. S'appuyant sur leurs simulations, les chercheurs ont étudié le taux de survie des trous d'épingle et exploré des stratégies pour minimiser le risque de présence de trous d'épingle dans un film fermé final.

"Les simulations de films de diamant polycristallin contribuent au domaine de la théorie de la percolation continue", a expliqué le professeur Eliot Fried, chercheur principal de l'unité Mécanique et matériaux de l'OIST. "En plus de fournir des informations pratiques qui devraient contribuer à la croissance efficace de ces films en laboratoire, cette recherche a amélioré notre compréhension des problèmes topologiques et géométriques sous-jacents liés à la croissance de films polycristallins de diamant et de divers autres matériaux. Nous attendons avec impatience à appliquer nos découvertes au développement de films pouvant être utilisés pour la science biomédicale, les dispositifs quantiques et d'autres applications. + Explorer plus loin

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