Diamants spatiaux extra durs

Le diamant, avec son réseau de carbone de cubes imbriqués difficile à casser, est traditionnellement considéré comme le matériau le plus dur sur Terre. Pourtant, une forme rare de diamant connue sous le nom de lonsdaleite – un cristal avec des atomes de carbone disposés en hexagones tridimensionnels courbés – peut être encore plus dure que son cousin cubique.

Jusqu’à présent, la lonsdaleite naturelle n’a été trouvée que dans des cratères d’impact, où elle a été formée par la forte pression des météorites frappant la Terre. Mais maintenant, les scientifiques disent avoir identifié des cristaux de lonsdaleite qui se sont formés des milliards d’années avant que les météorites qui les transportent ne frappent la planète. Si la théorie de l’équipe sur la formation des cristaux est correcte, ses découvertes pourraient fournir aux scientifiques un meilleur moyen de fabriquer de la matière ultra-dure sur Terre.

Dans une étude publiée ce mois-ci Actes de l’Académie nationale des sciences des États-Unis, Un groupe de recherche opérant principalement en Australie a étudié 18 échantillons de météorites différents de la famille connue sous le nom d’uréilites. Parce que les uréilites sont relativement homogènes dans leur composition chimique – contenant une quantité unique de carbone – les scientifiques pensent qu’elles proviennent du même corps parent.

« Cette planète naine était juste après le début de notre système solaire – il y a 4,5 milliards d’années – et la planète a été frappée par un astéroïde », explique Alan Salek, étudiant diplômé en physique appliquée au Royal Melbourne Institute of Technology en Australie. et co-auteur de la nouvelle étude. Cet impact cataclysmique a déchiré la planète naine et déclenché une réaction chimique qui aurait pu transformer les fragments de graphite de la planète en lonsdaleite, ajoute-t-il.

Le graphite est constitué de couches plates d’atomes de carbone liés ensemble dans des hexagones. Ces couches qui se chevauchent ont une faible attraction les unes pour les autres et sont relativement faciles à séparer. Sur Terre, une chaleur et une pression élevées peuvent réorganiser ces atomes de carbone en un réseau tridimensionnel de cubes, créant un diamant traditionnel. Mais une brève période de pression extrême, telle qu’un impact de météorite, peut préserver l’arrangement hexagonal d’origine du graphite tout en liant ses couches dans le solide réseau tridimensionnel de la lonsdaleite.

Les chercheurs suggèrent que plutôt que la pression d’impact rapide connue pour produire de minuscules cristaux de lonsdaleite sur Terre, ces échantillons se sont plutôt formés par une libération rapide de pression. Ils affirment qu’un mélange liquide de carbone, d’hydrogène, d’oxygène et de soufre a été chauffé et mis sous pression dans le manteau de la planète naine jusqu’à ce qu’un impact d’astéroïde brise le manteau en morceaux. Le co-auteur de l’étude, Andrew Tomkins, géologue à l’Université Monash en Australie, affirme qu’un mélange de produits chimiques à dépressurisation rapide pourrait avoir interagi avec le graphite de la planète naine, le transformant en lonsdaleite.

Dans cette réaction particulière, les cristaux de graphite auraient été essentiellement déchirés et reconstruits en lonsdaleite. « C’est ce qu’on appelle la » dissolution-reprécipitation couplée « car cela dissout en quelque sorte cette chose et la remplace en même temps », explique Tomkins. Cette réaction entraînée par un liquide s’est produite dans des fragments de planète naine alors qu’ils volaient dans l’espace. Et tout comme les vaisseaux de sauvetage de la planète Krypton, ces pièces ont finalement transporté leur précieuse cargaison jusqu’à la Terre.

Les chercheurs sont arrivés à cette histoire d’origine lonsdaleite grâce à une analyse minutieuse de leurs 18 échantillons d’ureilite. Tomkins explique que la texture des minéraux dans ces météorites suggère un processus de refroidissement rapide qui suggère un impact dramatique. En examinant certaines signatures radioactives dans les minéraux, les scientifiques estiment la date de cette collision – il y a environ 4,5 milliards d’années. De plus, les échantillons contiennent des couches imbriquées de lonsdaleite, de diamant cubique et de graphite selon un schéma évoquant l’altération entraînée par les fluides décrite par l’équipe de Tomkins.

Des chercheurs extérieurs soulignent qu’il ne s’agit que d’une explication possible de la présence de lonsdaleite dans ces météorites. « Je pense que la méthode de formation présentée ici est logique et pourrait être une manière possible de former ce matériau, mais j’avoue que je ne suis pas convaincue à 100 % », déclare Jodie Bradby, qui étudie la physique des hautes pressions à l’Université nationale australienne, mais n’était pas. impliqués dans l’étude. « J’espère que cet article suscitera davantage d’études théoriques et de modélisation dans ce domaine », ajoute-t-il.

Dominik Kraus, physicien à haute densité d’énergie à l’Université de Rostock en Allemagne, qui n’a pas non plus participé à l’étude, pense la même chose. « Cela ressemble à un scénario de boucle d’or pour moi en ce moment – tout doit être parfait », dit-il.

Pour vérifier la méthode de formation, dit Kraus, les chercheurs doivent la répéter : la prochaine étape clé consiste à « imiter ces conditions… et voir si nous pouvons réellement faire croître ces cristaux de diamant hexagonaux assez efficacement dans ce système ».

Kraus et Bradby ont tous deux été impliqués dans des projets de recherche qui ont réussi à créer de la lonsdaleite synthétique en soumettant d’autres formes de carbone à une pression intense, un peu comme lors d’un impact de météorite. Et pourtant, comme la lonsdaleite trouvée dans les cratères de météorites, ces cristaux de lonsdaleite synthétiques ont tendance à être petits, à l’échelle du nanomètre. (C’est un milliardième de mètre.)

Les particules de lonsdaleite identifiées par l’équipe de recherche de Salek et Tomkins étaient aussi petites qu’un micron – encore très petites, mais environ 1 000 fois plus grandes que tous les cristaux de lonsdaleite connus auparavant. Cela suggère que la transformation fluide du graphite en lonsdaleite peut produire des cristaux plus gros que la méthode d’impact.

Si l’équipe de Salek et Tomkins pouvait recréer leur processus de transformation théorique en laboratoire, ce serait non seulement une victoire pour leur théorie, mais une victoire pour la science des matériaux dans son ensemble. La lonsdaleite n’a jamais été obtenue à partir d’échantillons suffisamment grands pour tester sa vraie dureté (ou pour estimer sa vraie couleur, qui reste incertaine). Mais les modèles mathématiques de la structure de la lonsdaleite montrent que la substance peut être jusqu’à 58 % plus dure que le diamant cubique.

« Ce type de matériau, qui ne peut pratiquement pas être endommagé par quoi que ce soit sur Terre, serait très pratique à obtenir », explique Salek. Il pourrait remplacer, par exemple, le diamant dans les lames de scie et les forets, ou agir comme de petits composants électroniques très durables. Bradby ajoute que la lonsdaleite pourrait aider à tailler relativement facilement les diamants ordinaires.

Cependant, recréer les conditions exactes décrites dans cet article est un défi. Les chercheurs doivent produire des températures extrêmes, des pressions élevées et un mélange précis de produits chimiques censés catalyser la transformation du graphite en lonsdaleite. C’est possible, du moins en théorie. Mais même si un tel processus réussissait à produire un cristal, on ne sait pas à quel point il serait difficile ou coûteux de passer à la production au niveau industriel.

« Il y a un long chemin à parcourir avant d’avoir une bague lonsdaleite au doigt », déclare Salek.

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