Les chercheurs utilisent une presse multi-enclumes pour transformer le fullerène C60 en verre diamanté, similaire au processus de conversion du graphite en diamant dans un appareil à haute pression. Crédit : Image de Yingwei Fei
C’est le verre le plus dur connu avec la conductivité thermique la plus élevée parmi tous les matériaux de verre.
Yingwei Fei et Lin Wang de Carnegie faisaient partie d’une équipe de recherche internationale qui a synthétisé une nouvelle forme ultradure de verre de carbone avec une multitude d’applications pratiques potentielles pour les appareils et l’électronique. C’est le verre le plus dur connu avec la conductivité thermique la plus élevée parmi tous les matériaux de verre. Leurs conclusions sont publiées dans La nature.
La fonction suit la forme lorsqu’il s’agit de comprendre les propriétés d’un matériau. La façon dont ses atomes sont chimiquement liés les uns aux autres et l’arrangement structurel qui en résulte détermine les qualités physiques d’un matériau, à la fois celles qui sont observables à l’œil nu et celles qui ne sont révélées que par des sondages scientifiques.
Le carbone est sans égal dans sa capacité à former des structures stables, seul ou en combinaison avec d’autres éléments. Certaines formes de carbone sont hautement organisées, avec des réseaux cristallins répétitifs. D’autres sont plus désordonnés, une qualité appelée amorphe.
Le type de liaison qui maintient ensemble un matériau à base de carbone détermine sa dureté. Par exemple, le graphite mou a des liaisons bidimensionnelles et le diamant dur a des liaisons tridimensionnelles.
“La synthèse d’un matériau carboné amorphe avec des liaisons tridimensionnelles est un objectif de longue date”, a expliqué Fei. « L’astuce consiste à trouver le bon matériau de départ à transformer en appliquant une pression. »
« Pendant des décennies, les chercheurs de Carnegie ont été à la pointe du domaine, utilisant des techniques de laboratoire pour générer des pressions extrêmes afin de produire de nouveaux matériaux ou d’imiter les conditions trouvées au plus profond des planètes », a ajouté Richard Carlson, directeur du Carnegie Earth and Planets Laboratory.
En raison de son point de fusion extrêmement élevé, il est impossible d’utiliser le diamant comme point de départ pour synthétiser du verre semblable au diamant. Cependant, l’équipe de recherche, dirigée par Bingbing Liu de l’Université de Jilin et Mingguang Yao, un ancien chercheur invité de Carnegie, a fait sa percée en utilisant une forme de carbone composée de 60 molécules disposées pour former une boule creuse. Officieusement appelé buckyball, ce matériau lauréat du prix Nobel a été chauffé juste assez pour effondrer sa structure semblable à un ballon de football et provoquer le désordre avant de transformer le carbone en diamant cristallin sous pression.
L’équipe a utilisé une presse multi-enclumes à grand volume pour synthétiser le verre en forme de diamant. Le verre est suffisamment grand pour la caractérisation. Ses propriétés ont été confirmées à l’aide de diverses techniques avancées à haute résolution pour sonder la structure atomique.
“La création d’un verre avec des propriétés aussi supérieures ouvrira la porte à de nouvelles applications”, a expliqué Fei. « L’utilisation de nouveaux matériaux verriers repose sur la fabrication de grandes pièces, ce qui a posé un défi dans le passé. La température comparativement plus basse à laquelle nous avons pu synthétiser ce nouveau verre diamanté ultradur rend la production de masse plus pratique.
Référence : « Ultrahard bulk amorphous carbon from collapsed fullerène » par Yuchen Shang, Zhaodong Liu, Jiajun Dong, Mingguang Yao, Zhenxing Yang, Quanjun Li, Chunguang Zhai, Fangren Shen, Xuyuan Hou, Lin Wang, Nianqiang Zhang, Wei Zhang, Rong Fu , Jianfeng Ji, Xingmin Zhang, He Lin, Yingwei Fei, Bertil Sundqvist, Weihua Wang et Bingbing Liu, 24 novembre 2021, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03882-9
Ce travail a été soutenu financièrement par le National Key R&D Program of China, la National Natural Science Foundation of China et la China Postdoctoral Science Foundation.
