Les diamants sont difficiles à fabriquer. Ils se forment dans le manteau supérieur de la Terre, à une centaine de kilomètres sous la surface, sous des pressions qui écrasent le crâne et des températures qui font fondre les roches. Bien que la réplication de ces conditions en laboratoire soit de plus en plus courante, son équipement est coûteux et le processus peut prendre des jours, voire des semaines.
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Après des décennies d’essais, une équipe de la North Carolina State University a découvert un moyen rapide de fabriquer des diamants sans compresser le carbone sous une pression extrême ni le chauffer avec une cuisson conventionnelle.
«La conversion du carbone en diamant est un objectif précieux pour les scientifiques du monde entier depuis très longtemps», déclare Jagdish Narayan, auteur principal du document publié cette semaine dans le Journal of Applied Physics .
Étonnamment, dans le processus de fabrication de leurs diamants, Narayan et son équipe ont également découvert une nouvelle phase de carbone, appelée Q-carbone. Ce matériau bizarre est encore plus résistant que le diamant, est magnétique et émet une douce lueur. Outre son rôle dans la fabrication de diamants plus rapides et moins chers, Q-carbone pourrait trouver des utilisations dans les affichages électroniques et pourrait nous aider à mieux comprendre le magnétisme sur d'autres planètes.
Transformer le carbone en diamant nécessite une énorme quantité d'énergie, c'est pourquoi on pensait qu'ils ne se formaient que sous des pressions et des températures élevées, explique la géophysicienne Rebecca Fischer, boursière postdoctorale au Musée national d'histoire naturelle du Smithsonian, qui n'a pas participé à la recherche. .
Mais selon Narayan, tout est dans la vitesse. «Grâce au processus rapide, nous pouvons essentiellement tromper Mère Nature», dit-il.
Sous une pression ambiante normale, l'équipe a exposé du carbone amorphe, dépourvu de toute structure cristalline, à des impulsions laser extrêmement courtes. Cela a chauffé le carbone jusqu'à environ 6 740 degrés Fahrenheit - à titre de comparaison, la surface du soleil est d'environ 10 000 degrés Fahrenheit.
La flaque de carbone fondu a ensuite été rapidement refroidie ou refroidie pour former le nouveau carbone Q résistant.
D'autres versions de carbone affichent des propriétés très différentes, telles que le graphite tendre et opaque et les diamants durs et scintillants, et le carbone Q ne fait pas exception. Lorsque le carbone fond, par exemple, les liaisons entre les atomes se raccourcissent et n'ont plus le temps de s'allonger lorsque le matériau se refroidit soudainement. Cela rend le produit fini plus dense et plus dur que le diamant.
Encore plus excitant, le Q-carbone est magnétique à la température ambiante - l’un des rares matériaux en carbone magnétique jamais produits. Et en raison de son arrangement atomique spécifique, le matériau émet de petites quantités de lumière. Ces propriétés pourraient rendre le Q-carbone extrêmement précieux pour les applications électroniques futures.
Son utilisation plus immédiate, cependant, est d'aider à la création de diamants. En modifiant légèrement les vitesses de refroidissement du carbone en fusion, les scientifiques peuvent l’utiliser pour faire croître des cristaux de diamants sous diverses formes, telles que les nanoneedles, les microneedles, les nanodots et les films, explique Narayan.
Une image en gros plan montrant les microdiamants réalisés à l'aide de la nouvelle technique. (Journal de physique appliquée) Le processus est peu coûteux, en partie parce qu'il utilise un laser qui est déjà populaire pour les chirurgies oculaires au laser. De plus, la méthode fait pousser des diamants en quelques nanosecondes.
«Nous pouvons faire un carat en environ 15 minutes», explique Narayan.
À l'heure actuelle, les diamants sont petits - le plus gros fait environ 70 microns de large, soit environ la largeur d'un cheveu humain, selon Narayan. Mais il est convaincu que le processus peut être intensifié. À ce stade, la limite principale de la taille des pierres précieuses est le laser, dit-il, et un faisceau plus large pourrait produire des diamants plus gros.
Mais plutôt que de produire un gros bijou, la méthode est probablement la plus prometteuse pour la production de masse de petits cierge, dit Fischer.
Les petits diamants sont utiles dans de nombreux domaines, notamment l'électronique, la médecine et les abrasifs, explique le physicien Keal Byrne, également boursier postdoctoral du Muséum d'histoire naturelle. «Avoir une nouvelle façon de créer des [diamants], en particulier une solution qui évite une grande partie de l'infrastructure des anciennes méthodes, est formidable», déclare Byrne.
L'équipe se concentre maintenant sur la compréhension des propriétés intrigantes du Q-carbone, suggérant même que cela pourrait aider à expliquer les champs magnétiques d'autres planètes qui ne semblent pas avoir de dynamos actifs.
Mais il reste encore beaucoup à apprendre avant de pouvoir mettre à l’épreuve ce type de théories, a déclaré Byrne: «C’est une découverte vraiment intéressante. [Mais] qu'est-ce qui en découle, voilà la partie intéressante. "
