vendredi 17 octobre 2014

La matière la plus dure que l'on connaisse



Si vous pensez toujours (et à tort) que le diamant est la matière la plus dure que l'on connaisse, c'est probablement que vous vous souvenez correctement de ce que l'on vous a appris lorsque vous étiez enfant : le diamant est, sur Terre, le matériau naturel le plus solide que l'on puisse trouver. Mais ce n'est ni la matière la plus dure connue dans l'univers, ni même sur la Terre, puisque plusieurs matières synthétiques ont depuis longtemps déjà, dépassé la célèbre pierre précieuse, en ce qui concerne la solidité. Les candidats sont notamment le graphène, le carbyne et... le cœur des étoiles à neutrons...

Bien qu'il ne soit pas un métal, c'est bel et bien le carbone qui forme les matériaux les plus durs que l'on connaisse sur Terre : le diamant, n'est en effet qu'un réseau cristallin constitué d'éléments sur-pressurisés et compactés en réseaux arrangés d'atomes de carbone. Le diamant est resté pendant longtemps le matériau le plus dur que l'on connaisse, et cette qualité, en plus de sa rareté, en ont fait l'une des pierres précieuses les plus prisées des dames, mais également des technologies. Le diamant reste par ailleurs la matière naturelle la plus dure que l'on puisse trouver sur Terre.

Avec l'arrivée, néanmoins, des nanotechnologies, c'est tout un monde de progrès qui s'est ouvert à la science, avec notamment, la possibilité de synthèse à l'échelle atomique, de plaques d'atomes de carbones (feuilles de graphène) que l'on a pu replier sur elles-même pour former des nanotubes de carbones, encore plus performants, l'une des matières les plus rigides que l'on connaisse. Encore plus fort, à partir de ces nanotubes disposés parallèlement de façon à obtenir un tapis, des scientifiques ont réussi à créer des diamants de nanotubes de carbone agrégés (nanobaguettes de diamant agrégées), un matériau encore rare, mais dont les propriétés sont proprement étonnantes. Les études scientifiques récentes explorant les propriétés de différentes configurations d'atomes de carbone ont enfin montré qu'en théorie, des formes créées en carbyne, pourraient se révéler être la matière la plus résistante que l'on aie jamais synthétisé, homme ou nature, sur Terre.

Et pourtant... l'univers regorge lui-même de mystères, de matières incongrues et extrêmes, dont les étoiles à neutrons sont d'excellents représentants : on sait que, excepté peut-être l'intérieur des trous noirs, dont on ne connait finalement que peu de choses, les étoiles à neutrons, écrasées sur elles-même par leur propre gravité, se composent de la matière la plus dense que l'on connaisse, et par conséquent, la plus "dure" que l'on puisse trouver dans l'univers (en l'état actuel des connaissances), bien qu'elle se comporte en fait... comme un superfluide!

Le diamant

Les diamants sont connus depuis longtemps comme constituant les matériaux les plus durs que l'on trouve sur Terre à l'état naturel, servant par ailleurs de seuil supérieur à l'échelle de dureté de Mohs (valeur 10). A partir de 1953, des diamants synthétiques ont pu être fabriqués en appliquant notamment de fortes pressions, à température élevée, aux atomes de carbones, de sorte à retrouver une structure carboné cubique caractéristique du réseau cristallin du diamant. Sa densité atteint 3,517. L'une des formes diamantaires particulières, la lonsdaléite, que l'on trouve au fond des cratères d'impact, et dont la structure est hexagonale, pourrait présenter une résistante à la pression 58% supérieure à celle du diamant naturel.

Le graphène

Le graphène, un autre allotrope du carbone, est un produit des nanotechnologies qui a vu le jour à partir de 2004. Il se présente en un feuillet d'atomes de carbones constitués en hexagone, et représente notamment une brique élémentaire à partir de laquelle d'autres nanomatériaux peuvent être synthétisés : empilements (graphite), sphères (fullerènes) ou cylindres (nanotubes de carbone). Le graphène et le plus puissant conducteur que l'on connaisse (jusqu'à 5 300 W·m-1·K-1), mais c'est également et surtout l'un des matériaux les plus résistants sur de nombreux critères : tension, élasticité, étirement... Le graphène possède une résistance mécanique à la rupture près de 100 à 200 fois supérieure à celle d'une feuille d'acier hypothétique de même dimension, tout en étant 6 fois plus léger. Les chercheurs qui ont réussi à isoler ce graphène expliquent ainsi qu'une feuille de graphène d'un mètre carré (mais épaisse d'une seule couche d'atomes!) pourrait supporter un chat de 4 kilos, tout en étant aussi léger qu'une de ses moustaches (0,77 mg... 100 000 fois plus léger que le papier). Il pourrait cependant se montrer particulièrement facile à briser (10 fois plus que l'acier), du fait de son extraordinaire solidité.

Curieusement, le graphène se trouve en fait dans la nature, sous forme de graphite (ce qui l'empêche, en fait, de ravir le titre de la plus dure substance naturelle, au diamant). Accessoirement, le graphène est également un conducteur thermique quasi parfait, présentant une grande robustesse structurelle et chimique, et est une substance particulièrement opaque, propriétés qui pourraient lui valoir de nombreuses applications dans les domaines de l'électronique et industrie chimique (notamment, panneau solaire, batteries).

Les fullerènes et nanotubes de carbone

Ces matériaux sont conçus à partir des feuillets de graphènes configurés en sphères (fullerènes) ou en cylindres et double-cylindres (nanotubes) dont les propriétés mécaniques sont parmi les plus extrêmes que l'on connaisse sur Terre : les nanotubes de carbones sont théoriquement 10% plus durs que le diamant (selon leur module de Young, un indicateur de leur élasticité et résistance à la déformation), ils présentent par ailleurs une excellente rétention de la lumière et de la chaleur (jusqu'à 99% d'énergie lumineuse absorbée, ce qui en fait l'un des matériaux, sinon le matériau, le plus noir que l'on connaisse). Un tapis de nanotubes de carbone pourrait absorber 99,995% des photons qui lui parviennent. Les nanotubes présentent également la particularité de se comporter soit en semi-conducteurs, soit en conducteurs quasi-parfaits (thermique-optique-électrique), voire en supraconducteurs à température basse. Ces matériaux en font l'une des substances les plus extrêmes de la planète en terme de résistance et d'habiletés électro-magnétiques.

Les nanobaguettes de diamants agrégés

les nanobaguettes de diamants agrégées, mises au point en Allemagne en 2005, sont créées à partir de fullerènes (des nano-formes sphériques de carbones) compressés à 200000 fois la pression atmosphérique, en même temps qu'ils sont portés à 2500°K. En résultent des composés à l'allure de diamants quasi-parfaits (structurellement parlant) hyper-denses (0,3% plus dense que les diamants naturels les plus compacts) dont la compressibilité est par ailleurs la plus faible que l'on connaisse sur Terre, 11% moins compressible que le diamant.

Le carbyne

Le carbyne est une simple structure en fil de carbone, considérée, donc, comme unidimensionnelle : une ligne d'atomes de carbone reliés entre eux successivement par un simple ou triple lien, étonnamment robuste, et dont les chercheurs qui l'étudient espèrent pouvoir former des tresses ou des rubans, dont les propriétés pourraient également se révéler extrêmes. 

A noter, que son nom est un usage impropre, les carbynes désignant habituellement tout radical carbone monovalent ou tout composé carboné (3+) lié à un groupe monovalent. La matière carbyne que l'on évoque ici consiste en un alignement de ces groupements, dans lequel le carbone 3+ est lié... à un autre carbone, monovalent. En résulte en fait une longue chaîne carbonée, constituant le fil le plus fin et solide qui soit.

Les études continuent sur ce nouveau matériau, qui pourrait devenir le plus important rival du graphène : outre leur faculté remarquable à séparer des constituants de phase liquide ou gaz, en plus de présenter d'impressionnants pouvoirs de catalyse, on sait que ces fibres de carbones particulières présentent une résistance 2 fois supérieure à celle du graphène (torsion élastique).

L'étoile à neutron

Les étoiles à neutrons sont les résidus d'étoiles massives qui, arrivées en fin de vie, subissent un effondrement gravitationnel qui leur confère la propriété de la plus dense matière de l'universUn cm3 seulement de matière d'étoile à neutron pèserait un milliard de tonnes. 1,4 à 3,2 fois la masse du soleil, en une sphère de matière compressée de 10 à 20 km de diamètre seulement. Ces données en font l'une des matières les plus compactes que l'on connaisse, et qui, pourtant, se comporte comme un superfluide (conductivité électrique et thermique parfaite). La densité de la matière d'étoile à neutrons est notamment 3 millions de milliards de fois plus élevée que celle du diamant. Autrement dit, si vous étiez amenés à plonger un diamant dans le coeur d'une étoile à neutrons, celui-ci ne serait pas seulement rayé, ni même simplement compressé : il serait tout simplement broyé et désossé, jusqu'au niveau de ces atomes même.