Avec le matériau, le Une équipe de chercheurs l’a testé avec le test de dureté Vickers, qui évalue les diamants entre 50 et 70 gigapascals. Quant au matériau du chercheur, le verre teinté en jaune a marqué 113 gigapascals, ce qui rend sa résistance”comparable en résistance au diamant et supérieure aux autres matériaux les plus solides connus“, a noté l’auteur principal, le professeur Tian Yongjun de l’Université de Yanshan. dans l’étude.
Contrairement aux matériaux cristallins, où les atomes sont disposés de manière ordonnée, les matériaux amorphes ne présentent généralement pas une dureté ni une résistance exceptionnelle. Le plastique et le verre se cassent facilement et sont relativement mous. Le diamant, à l’inverse, est l’un des matériaux les plus durs connus. Sur l’échelle de Vickers, sa dureté se situe entre 56 et 62 GPa (gigapascal). Un record battu à plate couture par le nouveau matériau mis au point par une équipe de chercheurs chinois de l’université de Yanshan, qui ont synthétisé une forme de carbone baptisée AM-III qui atteint une dureté de… 113 GPa. « Le AM-III est tout simplement le matériau amorphe le plus dur jamais conçu », se félicitent Zhisheng Zhao et ses collègues dans une étude parue dans la revue National Science Review.
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Le meilleur des deux mondes
En revanche, pour certains matériaux comme le verre – on parle de solides amorphes-, la situation est très différente. Les atomes y sont disposés dans un désordre complet, ce qui rend l’ensemble fragile. Mais ils disposent d’autres propriétés intéressantes, notamment en termes de conductivité optique et électronique. Les chercheurs se sont donc demandés s’il n’y avait pas une façon de tirer le meilleur de ces deux structures, en produisant un matériau aussi structuré et solide que le diamant, mais avec des propriétés de matériau amorphes.
Pour ce faire, les chercheurs de l’université de Yashan ont coopéré avec des chercheurs suédois, américains, allemands et russes; ensemble, ils sont partis de “buckyballs”, de petits ballons de football constitués de 60 atomes de carbone. Ils les ont soumises à des conditions de pression et de température infernales; ce faisant, ils ont forcé les atomes de carbone à occuper le moins d’espace possible, se rapprochant ainsi de la structure d’un diamant, mais sans adopter les propriétés d’un vrai cristal.
Un procédé ingénieux
La solution imaginée par les chercheurs de l’Université du Maryland permet de conserver la lignine lors de la transformation du bois et donc, une partie de sa résistance. Le procédé consiste à appliquer une solution de peroxyde d’hydrogène sur des planches de bois d’un millimètre d’épaisseur et de les laisser sécher au soleil ou sous une lampe UV, afin qu’elles deviennent blanches.
Elles sont ensuite trempées dans de l’éthanol pour éliminer les saletés, puis imprégnées d’une résine époxy transparente résistante conçue pour un usage marin. Cette substance permet de combler les espaces et les pores du bois, afin de le durcir tout en le rendant transparent. La résine époxy permet en effet au bois de laisser 90 % de la lumière. Grâce à ce procédé, on conserve la résistance et la flexibilité du bois tout en profitant d’une transparence proche de celle du verre.
Selon les chercheurs, le bois qu’ils ont traité est 50 fois plus résistant que les autres bois transparents dont la lignine a été retirée. Le procédé mis au point par les chercheurs de l’Université du Maryland pourrait être la solution pour que le bois transparent devienne véritablement un matériau de construction. Si plusieurs scientifiques sont déjà parvenus au même résultat, les méthodes utilisées ne permettaient pas de rendre le bois transparent envis.
Une bouillie de fullerènes
Les chercheurs ont expérimenté plusieurs configurations des atomes de carbone et se sont finalement tournés vers les fullerènes, un arrangement de 60 atomes de carbone reliés entre eux dans un arrangement hexagonal, comme dans les feuillets de graphite. Mais à la différence de ce dernier, les atomes contiennent également des anneaux pentagonaux ou heptagonaux, ce qui empêche la structure d’être plate. De ce fait, les fullerènes présentent une forme en tube ou en ballon. Ces fullerènes ont été soumis à une chaleur et une pression croissante, ce qui les a « écrasés » et fait se mélanger ensemble, jusqu’à obtenir un matériau aux caractéristiques désirées.
Des futurs panneaux solaires ultrarésistants ?
Non seulement l’AM-III présente une dureté supérieure à celle du diamant, mais contrairement à ce dernier qui est un très mauvais conducteur, il possède des propriétés semi-conductrices, avec une plage de bande passante allant de 1,5 à 2,2 eV, similaire à…
Le premier d’une longue série ?
Ces tests ont produit plusieurs matériaux amorphes à base de carbone, que l’on pourrait vulgairement qualifier de “verre de carbone”. Et c’est l’un d’entre eux, baptisé AM-III, qui a stupéfait les chercheurs. AM-III a la particularité de présenter des propriétés semi-conductrices, tout en étant capable de rayer du diamant lors d’un test de dureté de Vickers. Sur cette échelle, ce nouveau matériau a atteint un score de dureté entre 110 et 116 gigapascals. A titre de comparaison, un diamant synthétique d’excellente facture, sans les impuretés d’un diamant naturel, atteindrait un score de 111.
On pourrait ainsi imaginer que l’AM-III serve de base à de nouveaux matériaux, ultra-résistants, mais disposant de propriétés semiconductrices. Pour autant, les applications concrètes d’une telle technologie ne sont pas encore très claires; autant le dire tout de suite, ce n’est pas demain que vous pourrez remplacer la vitre de votre smartphone par de du verre de carbone. Mais l’intérêt principal de ces travaux réside avant tout dans la preuve de concept qu’ils apportent. Cette étude a certainement attiré l’attention d’autres ingénieurs en sciences des matériaux, qui pourront s’en inspirer pour développer de nouveaux matériaux amorphes sur lesquels expérimenter. Car à bien des égards, AM-III n’était qu’un simple brouillon; le protocole expérimental pourra certainement être amélioré, puis diversifié afin d’explorer toutes les propriétés étranges de ces matériaux.