Le diamant n’est plus le matériau le plus dur connu. Il reste le plus dur des matériaux naturels, au sommet de l’échelle de Mohs, mais des laboratoires ont fait mieux. En 2014, une équipe de l’université de Yanshan, en Chine, a mesuré une dureté Vickers d’environ 200 GPa sur un diamant synthétique « nanomaclé », soit deux fois celle d’un monocristal de diamant naturel. Et si l’on parle de résistance à la rupture plutôt que de dureté, le record appartient au graphène, une feuille de carbone d’un seul atome d’épaisseur.
« Dur », « résistant », « rigide » : de quoi parle-t-on ?
Le langage courant mélange plusieurs propriétés que les physiciens mesurent séparément :
- la dureté : la résistance d’un matériau à la rayure ou à l’enfoncement d’une pointe ;
- la résistance à la traction : la force qu’il faut pour le rompre en tirant dessus ;
- la rigidité : sa résistance à la déformation, mesurée par le module de Young ;
- l’incompressibilité : sa résistance à l’écrasement de tous les côtés, mesurée par le module de compressibilité ;
- la ténacité : sa capacité à résister à la propagation d’une fissure, c’est-à-dire à ne pas se briser.
Un matériau peut être champion dans une catégorie et médiocre dans une autre.
Avant de nommer « le matériau le plus dur », demandez-vous quelle propriété on mesure.
Comment mesure-t-on la dureté ?
Il existe deux grandes méthodes.
L’échelle de Mohs classe les minéraux par leur capacité à se rayer les uns les autres. Selon le service des parcs nationaux américains, elle compte dix minéraux de référence, du plus tendre au plus dur : talc (1), gypse (2), calcite (3), fluorite (4), apatite (5), orthose (6), quartz (7), topaze (8), corindon (9) et diamant (10). Elle porte le nom du minéralogiste allemand Friedrich Mohs. Pour se repérer, l’ongle se situe à 2,5, une pièce de cuivre à 3,5, une lame de couteau ou une vitre à 5,5, un clou en acier à 6,5.
Cette échelle est un simple ordre de rang, pas une mesure. Elle dit quel minéral raye l’autre, pas de combien il est plus dur : l’écart entre deux degrés voisins n’est pas le même d’un bout à l’autre de l’échelle.
La dureté Vickers donne au contraire un chiffre. Comme le décrit le NIST, l’institut américain de métrologie, on enfonce dans le matériau une pointe de diamant en forme de pyramide à base carrée, avec une force connue, puis on mesure les deux diagonales de l’empreinte laissée. La dureté se calcule à partir de cette force et de ces diagonales, et s’exprime en gigapascals (GPa). Selon une étude publiée en 2021 dans les Proceedings of the National Academy of Sciences, la mesure reste fiable tant que la pointe laisse une empreinte permanente dans l’échantillon, ce qui permet de mesurer avec une pointe en diamant un matériau plus dur qu’elle.
L’échelle de Mohs dit qui raye qui ; la dureté Vickers dit de combien.
Quels matériaux sont plus durs que le diamant ?
Le diamant nanomaclé. En 2014, une équipe de l’université de Yanshan a publié dans Nature un diamant synthétique dont la structure est faite de minuscules cristaux jumeaux, ou « macles », de quelques nanomètres. Sa dureté Vickers atteint environ 200 GPa, soit deux fois celle d’un monocristal de diamant naturel, d’après l’étude de 2021 des Proceedings of the National Academy of Sciences, qui reprend ce résultat. Il résiste aussi mieux à la chaleur : il s’oxyde à l’air à une température supérieure de plus de 200 °C à celle du diamant naturel.
La lonsdaléite, un diamant « hexagonal » dont les atomes de carbone sont empilés autrement. En 2009, des chercheurs de l’université Jiao Tong de Shanghai et de l’université du Nevada à Las Vegas ont calculé, dans la revue Physical Review Letters, qu’elle résisterait à l’enfoncement d’une pointe jusqu’à 152 GPa, contre 97 GPa pour le diamant dans les mêmes conditions, soit 58 % de plus. Ce chiffre est un calcul, pas une mesure.
Le nitrure de bore « wurtzite », dans la même étude de 2009, atteindrait 114 GPa, au-dessus du diamant, lui aussi par le calcul.
Les nanobâtonnets de diamant agrégés. En 2005, Natalia Dubrovinskaia et ses collègues de l’université de Bayreuth, en Allemagne, ont obtenu un matériau fait de bâtonnets de diamant enchevêtrés, de 5 à 20 nanomètres de diamètre. Selon le service d’information de la Commission européenne, il est environ 0,3 % plus dense que le diamant, et son module de compressibilité atteint 491 GPa contre 442 GPa pour le diamant : c’était alors le matériau le moins compressible connu.
Le diamant garde son titre dans la nature, mais en laboratoire, au moins un matériau mesuré le dépasse.
Le nitrure de bore cubique, l’outil qui ne craint pas l’acier
Le nitrure de bore cubique n’est pas plus dur que le diamant. Selon une étude publiée en 2016 dans Scientific Reports, sa dureté Vickers se situe entre 40 et 60 GPa, environ la moitié de celle du diamant. Mais il supporte bien mieux la chaleur (jusqu’à 1 473 kelvins, environ 1 200 °C) et réagit peu avec l’acier, alors que le diamant réagit à haute température avec les métaux de transition. Il est largement utilisé comme abrasif.
Le meilleur matériau pour couper n’est pas toujours le plus dur, mais celui qui tient à la température de travail.
Quel est le matériau le plus résistant à la rupture ?
Le graphène. En 2008, Changgu Lee, James Hone et leurs collègues de l’université Columbia ont mesuré, dans la revue Science, la résistance d’une feuille de graphène suspendue, en l’enfonçant avec la pointe d’un microscope à force atomique. Résultat : une résistance intrinsèque de 130 GPa et un module de Young de 1,0 térapascal. Les auteurs concluaient que le graphène était le matériau le plus résistant jamais mesuré.
Les nanotubes de carbone, des feuilles de graphène roulées en tube, suivent de près. En 2000, l’équipe de Rodney Ruoff a étiré dix-neuf nanotubes à plusieurs parois dans un microscope électronique, pour la revue Science. La paroi extérieure a cédé entre 11 et 63 GPa. Ces chiffres valent pour la paroi extérieure d’un tube isolé, pas pour un câble de nanotubes.
Le record de résistance appartient à une feuille de carbone d’un atome d’épaisseur, pas à un bloc.
Le classement en un tableau
| Propriété | Record | Valeur | Source et année |
|---|---|---|---|
| Dureté mesurée | diamant nanomaclé | environ 200 GPa (Vickers) | Nature, 2014 |
| Dureté calculée | lonsdaléite | 152 GPa (résistance à l’enfoncement) | Physical Review Letters, 2009 |
| Dureté naturelle | diamant | 10 sur l’échelle de Mohs | service des parcs nationaux américains |
| Incompressibilité | nanobâtonnets de diamant agrégés | 491 GPa (module de compressibilité) | Commission européenne, 2005 |
| Résistance à la traction | graphène | 130 GPa | Science, 2008 |
| Rigidité | graphène | 1,0 TPa (module de Young) | Science, 2008 |
| Tenue à la chaleur parmi les très durs | nitrure de bore cubique | jusqu’à 1 473 K | Scientific Reports, 2016 |
Chaque ligne du tableau a son propre champion : il n’existe pas de « matériau le plus dur » unique.
Et dans l’Univers ?
Les matériaux les plus extrêmes ne sont pas sur Terre. Une étoile à neutrons naît quand une étoile massive, à court de combustible, s’effondre sur elle-même. Selon la NASA, elle concentre la masse d’un soleil dans une boule d’environ 20 km de diamètre, la taille d’une ville. Un morceau de matière d’étoile à neutrons de la taille d’un morceau de sucre pèserait environ un milliard de tonnes sur Terre. Aucun matériau terrestre n’approche cette densité ; parler de sa « dureté » n’a d’ailleurs plus beaucoup de sens à cette échelle.
La matière la plus dense connue se trouve dans les étoiles à neutrons : un milliard de tonnes par morceau de sucre.
À retenir
- Le diamant est le plus dur des matériaux naturels (10 sur l’échelle de Mohs), pas le plus dur connu.
- Le diamant nanomaclé, mesuré en 2014, atteint environ 200 GPa de dureté Vickers, deux fois le diamant naturel.
- La lonsdaléite serait encore plus dure, mais seulement d’après un calcul de 2009.
- Le graphène est le matériau le plus résistant jamais mesuré : 130 GPa (2008).
- Dureté, résistance, rigidité et ténacité sont des records différents.
Pour continuer : le métal le plus dense, le matériau le plus léger du monde, la toile d’araignée la plus résistante, un record de la nature, les plus grands cristaux du monde, ou toute la rubrique Sciences.
Le diamant a perdu son titre absolu, mais il garde celui qui compte le plus pour les bijoutiers : aucun autre matériau aussi dur ne se trouve tout fait dans la nature.
Sources
- Huang Q. et al. (université de Yanshan), « Nanotwinned diamond with unprecedented hardness and stability », Nature, vol. 510, 2014.
- Pan Y. et al., « Extreme mechanical anisotropy in diamond with preferentially oriented nanotwin bundles », Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021 (200 GPa, deux fois le diamant naturel ; fiabilité de la mesure par indentation).
- Pan Z., Sun H., Zhang Y., Chen C., « Harder than Diamond: Superior Indentation Strength of Wurtzite BN and Lonsdaleite », Physical Review Letters, vol. 102, 2009.
- Commission européenne, service CORDIS, « Harder than diamond », 2005 (nanobâtonnets de diamant agrégés, université de Bayreuth).
- Liu X. et al., « Ultrahard stitching of nanotwinned diamond and cubic boron nitride in C2-BN composite », Scientific Reports, 2016.
- Lee C., Wei X., Kysar J. W., Hone J., « Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene », Science, vol. 321, 2008.
- Yu M.-F., Lourie O., Dyer M. J., Moloni K., Kelly T. F., Ruoff R. S., « Strength and Breaking Mechanism of Multiwalled Carbon Nanotubes Under Tensile Load », Science, vol. 287, 2000.
- Service des parcs nationaux des États-Unis, « Mohs Hardness Scale ».
- NIST, certificat du matériau de référence SRM 1896b « Vickers Microhardness of Nickel » (principe de l’essai Vickers, pyramide à base carrée, mesure des diagonales, unités).
- NASA, « Imagine the Universe! », fiche « Neutron Stars ».
