Fabrication de nanodiamants à partir de bouteilles en plastique
Une équipe de chercheurs utilise des flashs laser pour simuler l'intérieur de planètes glacées et met au point un nouveau procédé de production de diamants minuscules.
Que se passe-t-il à l'intérieur de planètes comme Neptune et Uranus ? Pour le savoir, une équipe internationale dirigée par le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), l'université de Rostock et l'École polytechnique française a mené une expérience inédite. Ils ont tiré un laser sur un film mince de plastique PET simple et ont étudié ce qui se passait à l'aide de flashs laser intensifs. Les chercheurs ont ainsi pu confirmer leur thèse antérieure selon laquelle il pleut réellement des diamants à l'intérieur des géantes de glace situées à la périphérie de notre système solaire. Un autre résultat est que cette méthode pourrait constituer une nouvelle façon de produire des nanodiamants, qui sont nécessaires, par exemple, pour des capteurs quantiques très sensibles. Le groupe a présenté ses résultats dans la revue Science Advances.
Dans l'expérience, une fine feuille de plastique PET simple a été tirée par un laser. Les puissants flashs laser qui ont touché l'échantillon de matériau en forme de feuille l'ont brièvement chauffé à 6000 degrés Celsius et ont ainsi généré une onde de choc qui a comprimé la matière à des millions de fois la pression atmosphérique pendant quelques nanosecondes. Les scientifiques ont pu déterminer que de minuscules diamants, appelés nanodiamants, se sont formés sous cette pression extrême.
Blaurock / HZDR
Les conditions à l'intérieur des planètes géantes glacées comme Neptune et Uranus sont extrêmes : les températures atteignent plusieurs milliers de degrés Celsius et la pression est des millions de fois supérieure à celle de l'atmosphère terrestre. Néanmoins, de tels états peuvent être simulés brièvement en laboratoire : de puissants flashs laser frappent un échantillon de matériau en forme de film, le chauffent à 6 000 degrés Celsius en un clin d'œil et génèrent une onde de choc qui comprime le matériau pendant quelques nanosecondes à un million de fois la pression atmosphérique. "Jusqu'à présent, nous utilisions des films d'hydrocarbures pour ce type d'expérience", explique Dominik Kraus, physicien au HZDR et professeur à l'université de Rostock. "Et nous avons découvert que cette pression extrême produisait de minuscules diamants, appelés nanodiamants".
À l'aide de ces films, il n'était toutefois que partiellement possible de simuler l'intérieur des planètes - car les géantes de glace ne contiennent pas seulement du carbone et de l'hydrogène, mais aussi de grandes quantités d'oxygène. En cherchant un matériau de film approprié, le groupe est tombé sur une substance courante : Le PET, la résine à partir de laquelle sont fabriquées les bouteilles en plastique ordinaires. "Le PET présente un bon équilibre entre le carbone, l'hydrogène et l'oxygène pour simuler l'activité des planètes de glace", explique M. Kraus. L'équipe a mené ses expériences au SLAC National Accelerator Laboratory en Californie, où se trouve le Linac Coherent Light Source (LCLS), un puissant laser à rayons X basé sur un accélérateur. Ils l'ont utilisé pour analyser ce qui se passe lorsque des flashs laser intensifs frappent un film PET, en employant deux méthodes de mesure en même temps : Ils ont utilisé deux méthodes de mesure en même temps : la diffraction des rayons X pour déterminer si des nanodiamants étaient produits et la diffusion aux petits angles pour observer la vitesse et la taille des diamants.
Une aide précieuse : l'oxygène
"L'oxygène a eu pour effet d'accélérer la séparation du carbone et de l'hydrogène et de favoriser ainsi la formation de nanodiamants", explique Dominik Kraus, qui rapporte les résultats. "Cela signifiait que les atomes de carbone pouvaient se combiner plus facilement et former des diamants". Cela conforte l'hypothèse selon laquelle il pleut littéralement des diamants à l'intérieur des géants de glace. Ces résultats ne concernent probablement pas seulement Uranus et Neptune, mais aussi d'innombrables autres planètes de notre galaxie. Alors que ces géantes de glace étaient considérées comme des raretés, il semble désormais évident qu'elles sont probablement la forme de planète la plus courante en dehors du système solaire.
L'équipe a également rencontré des indices d'un autre type : en combinaison avec les diamants, de l'eau devrait être produite - mais dans une variante inhabituelle. "De l'eau dite superionique pourrait s'être formée", estime Kraus. "Les atomes d'oxygène forment un réseau cristallin dans lequel les noyaux d'hydrogène se déplacent librement." Comme les noyaux sont chargés électriquement, l'eau superionique peut conduire le courant électrique et ainsi contribuer à créer le champ magnétique des géantes de glace. Dans leurs expériences, toutefois, le groupe de recherche n'a pas encore pu prouver sans équivoque l'existence de l'eau superionique dans le mélange avec les diamants. Il est prévu de le faire en étroite collaboration avec l'université de Rostock au XFEL européen de Hambourg, le laser à rayons X le plus puissant du monde. Le HZDR y dirige le consortium international d'utilisateurs HIBEF qui offre des conditions idéales pour des expériences de ce type.
Une usine de précision pour les nanodiamants
Outre ces connaissances plutôt fondamentales, la nouvelle expérience ouvre également des perspectives pour une application technique : la production sur mesure de diamants de taille nanométrique, qui entrent déjà dans la composition des abrasifs et des agents de polissage. À l'avenir, ils sont censés être utilisés comme capteurs quantiques hautement sensibles, agents de contraste médicaux et accélérateurs de réaction efficaces, pour la scission duCO2 par exemple. "Jusqu'à présent, les diamants de ce type ont principalement été produits en faisant détoner des explosifs", explique M. Kraus. "Avec l'aide des flashs laser, ils pourraient être fabriqués beaucoup plus proprement à l'avenir."
La vision des scientifiques : Un laser haute performance envoie dix flashs par seconde sur un film PET qui est éclairé par le faisceau à intervalles d'un dixième de seconde. Les nanodiamants ainsi créés jaillissent du film et atterrissent dans un réservoir collecteur rempli d'eau. Ils y sont décélérés et peuvent alors être filtrés et récoltés efficacement. L'avantage essentiel de cette méthode par rapport à la production par explosifs est que "les nanodiamants peuvent être découpés sur mesure en termes de taille ou même de dopage avec d'autres atomes", souligne Dominik Kraus. "Grâce au laser à rayons X, nous disposons d'un outil de laboratoire qui permet de contrôler précisément la croissance des diamants."
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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