Concurrence pour les diamants : des scientifiques produisent des nitrures de carbone multifonctionnels très durs

19.12.2023

Dans le cadre d'une recherche révolutionnaire, des scientifiques ont synthétisé des composés carbone-azote recherchés depuis longtemps et ont révélé le potentiel des nitrures de carbone en tant que nouvelle classe de matériaux multifonctionnels super-durs qui pourraient rivaliser avec le diamant. Ces travaux viennent d'être publiés dans la revue Advanced Materials.

Depuis 1989, date à laquelle la revue Science a prédit l'existence d'un composé carbone-azote C₃N₄ doté de propriétés mécaniques exceptionnelles et dont la dureté pourrait surpasser celle du diamant, des chercheurs du monde entier ont travaillé sur ce sujet. La percée a été réalisée par une équipe internationale de scientifiques spécialisés dans les hautes pressions de l'université de Bayreuth et de l'université d'Édimbourg.

Ils ont soumis divers précurseurs du carbone et de l'azote à des pressions incroyablement élevées, comprises entre 70 et 135 gigapascals (GPa), 100 GPa correspondant à 1 000 000 de fois la pression atmosphérique, et les ont chauffés à plus de 2 000 K dans des cellules à enclumes de diamant. Les échantillons ont ensuite été caractérisés par diffraction des rayons X en monocristal dans trois accélérateurs de particules : l'Installation européenne de recherche synchrotron (ESRF, France), le Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY, Allemagne) et l'Advanced Photon Source (APS, États-Unis). Les résultats ont révélé quatre nitrures de carbone de compositions CN, CN₂ et C₃N₄, et des structures de complexité différente. Les structures cristallines des allotropes C₃N₄ sont constituées de structures de tétraèdres CN₄ à coins partagés, ce qui est la clé de leurs propriétés mécaniques supérieures - ultracomprimabilité (l'incompressibilité se manifeste lorsque le volume d'un corps reste presque constant malgré la pression appliquée) et superdureté - établies expérimentalement dans le cadre de ce travail. Le fait que les nitrures de carbone C₃N₄ à haute pression forment des empreintes sur une surface de diamant témoigne de leur dureté comparable à celle du diamant lui-même.

"Les nitrures de carbone synthétisés dans ce travail devraient présenter de multiples fonctionnalités exceptionnelles en plus de leurs propriétés mécaniques, avec un potentiel de matériaux d'ingénierie dans la même catégorie que le diamant, mais contrairement au diamant, ils peuvent être facilement dopés, ce qui est toujours un problème avec l'électronique du diamant", a déclaré le professeur Natalia Dubrovinskaia du laboratoire de cristallographie de l'université de Bayreuth, l'un des principaux auteurs de la recherche. Les études des propriétés physiques, tant expérimentales que théoriques, menées par les scientifiques de l'université de Linköping, en Suède, ont montré que ces matériaux fortement liés par covalence sont non seulement ultra-compressibles et super-durs, mais qu'ils possèdent également une densité d'énergie élevée et des propriétés piézoélectriques, photoluminescentes et optiques non linéaires.

Il est également remarquable que les quatre nitrures de carbone à haute pression puissent être récupérés à la pression et à la température ambiantes. "La récupération de matériaux complexes synthétisés à plus de 100 GPa est un cas sans précédent qui ouvre de nouvelles perspectives pour la science des matériaux à haute pression en général", déclare le professeur Leonid Dubrovinsky de l'Institut bavarois de géochimie expérimentale et de géophysique de l'université de Bayreuth, principal auteur de l'étude.

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