Q-Carbon : des scientifiques découvrent un nouvel allotrope du carbone Science des matériaux, physique

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Une équipe de spécialistes des matériaux des Etats-Unis a découvert un nouvel allotrope du carbone, le Q-carbone.

Nucléation de microdiamant à partir de filaments de nanodiamant qui ont été trempés après leur formation à 6 740 degrés Fahrenheit. Crédit image : Jagdish Narayan / Anagh Bhaumik.

Nucléation de microdiamant à partir de filaments de nanodiamant qui ont été trempés après leur formation à 6 740 degrés Fahrenheit. Crédit image : Jagdish Narayan / Anagh Bhaumik.

Le carbone Q est distinct du graphite et du diamant. Le seul endroit où l’on pourrait le trouver dans le monde naturel serait peut-être le noyau de certaines planètes, selon le chef d’équipe, le professeur Jagdish Narayan, de l’Université d’État de Caroline du Nord.

Le nouvel allotrope de carbone présente des caractéristiques inhabituelles : il est ferromagnétique, plus dur que le diamant, et il brille lorsqu’il est exposé à de faibles niveaux d’énergie.

“La résistance du carbone Q et sa faible fonction de travail – sa volonté de libérer des électrons – le rendent très prometteur pour le développement de nouvelles technologies d’affichage électronique”, a expliqué le professeur Narayan.

Narayan et son collègue, Anagh Bhaumik, étudiant en doctorat à l’Université d’État de Caroline du Nord, ont également mis au point une technique permettant d’utiliser le carbone Q pour fabriquer des structures en diamant à température ambiante et à la pression atmosphérique de l’air.

Pour produire du carbone Q, les spécialistes des matériaux commencent par un substrat en verre ou en saphir. Le substrat est ensuite recouvert d’une phase amorphe métastable de carbone, dont les caractéristiques de liaison sont un mélange de graphite et de diamant.

Le carbone est ensuite frappé par une seule impulsion laser KrF d’une durée de 200 nanosecondes. Pendant cette impulsion, la température du carbone est portée à 6 740 degrés Fahrenheit (3 727 degrés Celsius), puis rapidement refroidie. Cette opération se déroule à une atmosphère – la même pression que l’air ambiant.

Le résultat final est un film de carbone Q, et les scientifiques peuvent contrôler le processus pour fabriquer des films d’une épaisseur comprise entre 20 et 500 nanomètres.

En utilisant différents substrats et en modifiant la durée de l’impulsion laser, ils peuvent également contrôler la vitesse de refroidissement du carbone. En changeant la vitesse de refroidissement, ils sont capables de créer des structures en diamant dans le carbone-Q.

“Nous pouvons créer des nano-aiguilles ou des micro-aiguilles de diamant, des nanopoints ou des films de diamant de grande surface, avec des applications pour l’administration de médicaments, les processus industriels et la création de commutateurs à haute température et d’électronique de puissance”, a expliqué le professeur Narayan.

“Ces objets ont une structure monocristalline, ce qui les rend plus résistants que les matériaux polycristallins”, a-t-il ajouté.

“Et tout cela se fait à température ambiante et à l’atmosphère ambiante. Donc, non seulement cela nous permet de développer de nouvelles applications, mais le processus lui-même est relativement peu coûteux.”

Bhaumik et le professeur Narayan ont rapporté leurs résultats dans une paire d’articles dans le Journal of Applied Physics et le journal Matériaux APL.

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