Les scientifiques ont découvert une nouvelle classe de matériaux, les nitrures de carbone, qui pourraient rivaliser avec les diamants en termes de dureté. Cette découverte, fruit d’une collaboration internationale et de décennies de recherche, ouvre des possibilités pour diverses applications industrielles en raison de leur durabilité et d’autres propriétés comme la photoluminescence et la haute densité énergétique. Financée par des subventions internationales et publiée dans Advanced Materials, cette percée marque une avancée significative dans la science des matériaux.
Les scientifiques ont résolu une énigme vieille de plusieurs décennies et dévoilé une substance presque incassable qui pourrait rivaliser avec le diamant, le matériau le plus dur sur terre, selon une étude.
Les chercheurs ont découvert que lorsque les précurseurs de carbone et d’azote étaient soumis à une chaleur et une pression extrêmes, les matériaux résultants – appelés nitrures de carbone – étaient plus résistants que le nitrure de bore cubique, le deuxième matériau le plus dur après le diamant.
Libérer le potentiel des nitrures de carbone
Selon les experts, cette avancée ouvre la porte à des matériaux multifonctionnels pouvant être utilisés à des fins industrielles, notamment des revêtements de protection pour voitures et vaisseaux spatiaux, des outils de coupe à haute endurance, des panneaux solaires et des photodétecteurs.
Les chercheurs en matériaux tentent d’exploiter le potentiel des nitrures de carbone depuis les années 1980, lorsque les scientifiques ont remarqué pour la première fois leurs propriétés exceptionnelles, notamment leur haute résistance à la chaleur.
Pourtant, après plus de trois décennies de recherche et de multiples tentatives pour les synthétiser, aucun résultat crédible n’a été rapporté.
La collaboration internationale mène au succès
Aujourd’hui, une équipe internationale de scientifiques – dirigée par des chercheurs du Centre pour la science dans des conditions extrêmes de l’Université d’Édimbourg et des experts de l’Université de Bayreuth, en Allemagne, et de l’Université de Linköping, en Suède – a finalement réalisé une percée.
L’équipe a soumis diverses formes de précurseurs carbone-azote à des pressions comprises entre 70 et 135 gigapascals – environ un million de fois notre pression atmosphérique – tout en les chauffant à des températures de plus de mille cinq cents degrés. Celsius.
Pour identifier la disposition atomique des composés dans ces conditions, les échantillons ont été éclairés par un faisceau de rayons X intense dans trois accélérateurs de particules : le Centre européen de recherche sur le synchrotron en France, le Deutsches Elektronen-Synchrotron en Allemagne et l’Advanced Photon Source basé sur aux Etats-Unis.
Implications de la nouvelle découverte
Les chercheurs ont découvert que trois composés de nitrure de carbone possédaient les éléments constitutifs nécessaires à une super-dureté.
Remarquablement, les trois composés ont conservé leurs qualités semblables à celles du diamant lorsqu’ils sont revenus aux conditions de pression et de température ambiantes.
D’autres calculs et expériences suggèrent que les nouveaux matériaux contiennent des propriétés supplémentaires, notamment la photoluminescence et une densité énergétique élevée, où une grande quantité d’énergie peut être stockée dans une petite quantité de masse.
Les chercheurs affirment que les applications potentielles de ces nitrures de carbone ultra-incompressibles sont vastes, ce qui les positionne potentiellement comme des matériaux d’ingénierie ultimes pour rivaliser avec les diamants.
La recherche, publiée dans Advanced Materials, a été financée par le programme UKRI FLF et des subventions de recherche européennes.
Le Dr Dominique Laniel, Future Leaders Fellow, Institute for Condensed Matter Physics and Complex Systems, School of Physics and Astronomy, University of Edinburgh, a déclaré : « Lors de la découverte du premier de ces nouveaux matériaux en nitrure de carbone, nous étions incrédules d’avoir produit les matériaux dont rêvent les chercheurs depuis trois décennies. Ces matériaux constituent une forte incitation à combler le fossé entre la synthèse de matériaux à haute pression et les applications industrielles.
Le Dr Florian Trybel, professeur adjoint au département de physique, de chimie et de biologie de l’université de Linköping, a déclaré : « Ces matériaux sont non seulement remarquables par leur multifonctionnalité, mais montrent également que des phases technologiquement pertinentes peuvent être récupérées à partir d’une pression de synthèse équivalente à les conditions que l’on retrouve à des milliers de kilomètres à l’intérieur de la Terre. Nous sommes convaincus que cette recherche collaborative ouvrira de nouvelles possibilités dans ce domaine.
