⇧ [VIDÉO] Vous pourriez également aimer ce contenu partenaire
Une nouvelle méthode permet de produire artificiellement des diamants à partir d’un alliage métallique liquide sans nécessiter de pression extrême. En effet, les techniques conventionnelles nécessitent environ 5 gigapascals de pression et des températures avoisinant les 1400°C. Avec seulement 1 atmosphère de pression (0,0001 gigapascal) et une température de 1025°C, le nouveau procédé permet de démarrer la formation de particules de diamant en 15 minutes.
Dans le milieu naturel, les diamants se forment par cristallisation du carbone, dans la partie supérieure du manteau terrestre, entre 140 et 190 kilomètres de profondeur. A cette profondeur, la température et la pression sont extrêmes, oscillant notamment autour de 1 400 °C et 4,5 à 6 gigapascals (GPa). Les méthodes de production de diamants artificiels imitent ces conditions en s’appuyant sur un procédé dit à haute pression et haute température (HPHT) et en utilisant des précurseurs de carbone et d’alliage.
Cependant, ce type de procédé présente des limites, car de telles pressions élevées ne peuvent être appliquées en laboratoire qu’à une échelle de surface relativement petite. Cela implique que les diamants obtenus sont généralement limités à environ un centimètre cube.
Des chercheurs de l’Institut des sciences fondamentales (IBS) de Corée du Sud proposent une nouvelle méthode qui pourrait permettre de produire de plus gros volumes dans des conditions plus accessibles. Le processus, décrit dans la revue Naturea notamment permis de créer des particules de diamant avec une pression de seulement 1 atmosphère (0,0001 GPa) et une température de 1025 °C.
Diamants obtenus à pression atmosphérique
Pour développer leur procédé, les chercheurs sud-coréens ont mené une série d’expériences impliquant plusieurs centaines d’ajustements de paramètres. Pour ce faire, un alliage liquide de gallium, de fer, de nickel et de silicium a été exposé à un mélange de gaz riche en méthane et en hydrogène. Le tout a été placé dans une chambre de réaction d’un volume interne de 100 litres.
Cependant, le temps de formation des particules de diamant a été considérablement ralenti en raison du temps nécessaire pour pomper l’air de la chambre (environ 3 minutes), le purifier avec un gaz inerte (90 minutes) et le pomper à nouveau (3 minutes) jusqu’à ce qu’il est totalement vidé de tout résidu gazeux. L’étape suivante consiste à remplir l’enceinte avec le mélange hydrogène-méthane purifié et à intégrer une pression interne de 1 atmosphère. Nécessitant 90 minutes supplémentaires, cette dernière étape fait qu’avec ce protocole, il faudrait plus de 3 heures pour démarrer la production du diamant !
(g) Image obtenue par microscopie électronique à balayage montrant un diamant développé (partiellement) immergé dans le métal liquide solidifié. (h) Schéma montrant la diffusion du carbone qui conduit à la croissance du diamant sur la surface inférieure du métal liquide. © Yan Gong et al.
Pour améliorer la technique et réduire le temps de production, les chercheurs ont ajusté la taille de la chambre à 9 litres. Cette adaptation a permis de réduire le temps de pompage et de remplissage à 15 minutes.
Le mélange gazeux et l’alliage liquide sont ensuite exposés à une température de 1025°C. Une fois refroidi, l’alliage solidifié présente un motif solide de quelques millimètres diffractant la lumière en 7 couleurs, à la manière d’un cristal naturel. Après analyse, les experts ont découvert que ce motif cristallisé est constitué de particules de diamant hautement purifiées. Une fois formé, le film de diamant obtenu peut être facilement retiré et transféré sur d’autres substrats pour une utilisation ultérieure.
Une méthode très flexible
Il est intéressant de noter que le procédé permet de produire des diamants sans avoir besoin d’autres particules de diamant ou d’autres particules précurseurs. En effet, les techniques HPHT classiques nécessitent l’utilisation de précurseurs pour initier la réaction de formation du diamant.
De plus, l’équipe a découvert que le silicium joue un rôle essentiel dans la taille des produits finaux. Si la concentration de silicium dans l’alliage augmente, la taille du diamant obtenu est réduite, tandis que sa densité devient plus élevée. En effet, le silicium favoriserait la formation et la stabilisation des amas d’atomes de carbone composant le diamant. Ceci suggère que des amas contenant des atomes de silicium pourraient servir de « pré-noyaux », induisant la formation de particules de diamant. Les chercheurs estiment que la taille de ces noyaux initiaux se situe entre 20 et 50 atomes de carbone.
Voir aussi
Diamants de diverses morphologies cultivés dans différentes conditions de croissance (y compris les rapports molaires) en utilisant soit un alliage (métallique liquide) Ga/Ni/Fe/Si ou Ga/In/Ni/Fe/Si, sous méthane/hydrogène. © Yan Gong et al.
En outre, les chercheurs ont découvert que leur méthode offre une flexibilité significative dans la composition des alliages liquides, ce qui est rarement obtenu avec les techniques de production conventionnelles. Il est par exemple possible d’utiliser un alliage gallium-nickel-fer-silicium, de remplacer le nickel par du cobalt ou de remplacer le gallium seul par un mélange gallium-indium. Outre le méthane, il est également possible d’utiliser une grande variété de précurseurs gazeux.
Cette flexibilité permettrait de diversifier la qualité et les propriétés des produits obtenus, permettant ainsi de les adapter à chaque utilisation. ” Notre découverte de la nucléation et de la croissance du diamant dans ce métal liquide est fascinante et offre de nombreuses opportunités passionnantes. », précise le co-auteur principal de l’étude, Rod RUOFF, directeur du Centre pour les matériaux carbonés multidimensionnels (CMCM) à l’IBS, dans un communiqué.
En effet, les applications ne se limiteraient pas seulement au marché de la bijouterie, mais aussi aux technologies dédiées à l’étude des particules subatomiques et des champs magnétiques, ainsi qu’à l’informatique quantique. Les prochaines recherches de l’équipe consisteront à explorer davantage l’étape initiale de formation des particules de diamant, afin d’améliorer et d’accélérer potentiellement la technique de production.
