Les diamants se présentent généralement sous deux formes : une structure cubique, appréciée en joaillerie, et une forme de cristal “hexagonale”, plus dure, appelée lonsdaleite.
Les scientifiques ont découvert qu’il faut plus d’énergie pour produire la forme cubique qu’on ne le pensait auparavant, ce qui résout une énigme dans la formation de la lonsdaleite et pourrait nous aider à synthétiser des cristaux plus durs.
Pour fabriquer un diamant, il suffit de comprimer le graphite à des pressions d’environ 20 gigapascals (soit près de 200 000 fois la pression atmosphérique), ce qui donne lieu à l’une des deux dispositions différentes du carbone.
Les atomes de carbone ont tendance à se réarranger en réseaux hexagonaux à des pressions légèrement inférieures à 20 gigapascals, et en structures cubiques lorsque cette pression est supérieure.
Mais les modèles actuels prévoient que nous devrions voir la variété cubique se former aux deux pressions, ce qui a incité des chercheurs de l’université Fudan et de l’université de Shanghai en Chine à utiliser un nouveau type de processus de modélisation pour découvrir pourquoi.
Les deux types de diamant et de graphite sont décrits comme des allotropes de carbone, ce qui signifie qu’ils sont tous constitués d’atomes de carbone liés entre eux de différentes manières.
Dans le graphite, chaque atome de carbone forme une liaison avec trois autres atomes, produisant des feuilles plates en forme de nid d’abeille appelées graphène, qui se détachent assez facilement des couches adjacentes.
L’application d’une forte pression comprime ces couches de manière à ce que les atomes de carbone du graphène puissent former une liaison avec les feuilles adjacentes, reliant les couches en un bloc de cristal 3D que nous appelons le diamant.
Il y a deux façons de procéder : les feuilles de graphène sont alignées dans la même direction et chaque couche consécutive est orientée dans la direction opposée.
Les diamants clairs et joliment taillés que nous apprécions dans nos bagues de fiançailles sont généralement fabriqués à partir de feuilles de graphène alignées.
On trouve ce type de diamant à l’état naturel dans les colonnes de magma qui remontent des profondeurs de la croûte terrestre et se refroidissent pour former un type de roche ignée appelée kimberlite.
Le diamant formé à partir de couches de graphène aux orientations alternées est décrit comme hexagonal et se présente sous la forme de petits cristaux jaune-brun.
Appelés lonsdaleite, ces cristaux sont extrêmement rares, et on les trouve occasionnellement sous forme de cristaux défectueux autour des sites d’impacts de météorites.
Le problème est que le modèle décrivant la formation du diamant prévoit que les diamants cubiques devraient se former à des pressions légèrement inférieures à 20 gigapascals avant la formation de la lonsdaleite, car on pense que moins d’énergie est nécessaire pour comprimer les feuilles de graphène alignées en une forme cubique que la structure hexagonale.
Mais ce n’est pas ce que nous voyons dans la réalité, ce qui donne aux chimistes une sorte d’énigme à résoudre.
Les chercheurs ont utilisé un type de simulation appelé “marche stochastique de surface” pour comparer les différentes façons dont les atomes pouvaient former des liaisons lors de la transition du graphite vers le diamant, et pour trouver celles qui reposaient sur les arrangements intermédiaires présentant les énergies les plus faibles.
Il s’avère que les connexions entre une feuille de graphène et un cristal de lonsdaleite en croissance sont plus stables, et moins tendues, que la connexion entre une couche de graphène et un diamant cubique.
Cette stabilité supplémentaire influence ce que l’on appelle la cinétique de réaction – la vitesse à laquelle un processus chimique se produit – et qui fait que les structures hexagonales se forment 40 fois plus vite que la structure cubique du diamant.
En d’autres termes, les modèles existants passent à côté d’une étape clé, ce qui conduit à penser qu’il faut moins d’énergie pour fabriquer des diamants cubiques que des diamants hexagonaux, alors qu’il en faut en réalité davantage.
Cette recherche pourrait avoir des applications au-delà de la production de diamants, et être utilisée pour résoudre des problèmes similaires dans d’autres transitions entre allotropes solides.
Dans l’industrie, les diamants sont appréciés pour leur dureté, et c’est là que la lonsdaleite est reine – sous sa forme pure, elle est 58 % plus dure que son cousin cubique.
Bien qu’il s’agisse de la forme préférée à cette pression, il est encore incroyablement difficile de le produire dans des tailles utiles et il est donc assez rare.
“Si le diamant cubique est familier dans la vie de tous les jours et constitue un matériau très utile, le diamant hexagonal pourrait également être très utile”, a déclaré le chercheur Zhi-Pan Liu à Lisa Zyga de Phys.org.
“Bien que le diamant hexagonal puisse être trouvé dans les météorites, la production de grands cristaux de diamant hexagonaux n’a pas été réalisée dans l’expérience. On pourrait donc s’attendre à ce que les grands cristaux de diamant hexagonaux, s’ils sont produits, soient encore plus précieux que le diamant cubique.”
D’un autre côté, certains chercheurs pensent que plus c’est petit, plus c’est intelligent, et cherchent à produire des diamants hexagonaux à l’échelle nanométrique dans l’idée qu’ils seraient plus résistants que les cristaux plus grands.
Quel que soit le type de diamant que nous souhaitons – cubique ou hexagonal, grand ou petit – au moins nous avons maintenant une meilleure idée de la façon dont il se forme.
Cette recherche a été publiée dans le Journal of the American Chemical Society.