La flexibilité bien réelle du diamant étudiée à Hong Kong

Le diamant est connu comme le matériau le plus dur jamais découvert (classé 10 sur l’échelle de Mohs). Cette caractéristique physique est aussi étroitement liée à la fragilité de cette forme allotropique du carbone qui ne peut se déformer de manière élastique, ce qui limite son utilité pour certaines applications. Mais des recherches à l’échelle nanométrique menées par Hongti Zhang de la Hong Kong CityU en collaboration avec l’Université technologique de Nanyang, le MIT, l’Université chinoise de Hong Kong (CUHK) et l’Institut national des sciences et de la technologie d’Ulsan ont radicalement changé la perception des scientifiques sur ce matériau.

Crédits : The CityU team has discovered that nanoscale diamond can experience a significant amount of elastic deformation. (From left : Dr Lu Yang, Zhang Hongti, Professor Zhang Wenjun and Amit Banerjee)

En effet grâce à sa dureté à l’échelle macroscopique, le diamant est souvent utilisé pour concevoir des outils de coupe et de perçage ainsi que pour tester les propriétés mécaniques d’autres matériaux. Pour caractériser ses propriétés à l’échelle de l’infiniment petit, les chercheurs ont alors utilisé une autre approche en fabriquant des nano-aiguilles en diamant par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Après avoir réussi la prouesse de créer une surface diamantée aussi précise – constituée d’aspérités coniques de quelques centaines de nanomètres de hauteur et de 100 nm de diamètre (600 fois plus petit qu’un cheveu) - les équipes de recherche ont approché une pointe nanométrique elle-même diamantée aux extrémités de ces aspérités et observé le comportement mécanique des aiguilles à son contact à l’aide d’un microscope électronique en transmission haute définition (HRTEM). Les images montrent que les monticules monocristallins peuvent s’étirer jusqu’à 9 % sans se rompre (et 4 % pour les polycristaux), tout en reprenant leur forme initiale après la libération de la contrainte mécanique, des résultats qui ont surpris les chercheurs.

« Les résultats nous ont étonné et nous avons dû refaire les expériences plusieurs fois pour les confirmer. Nous avons également effectué des simulations informatiques pour déterminer la contrainte maximale de traction et la tension que les nano-aiguilles diamantées pourraient supporter avant de se casser. Ce travail démontre également que ce qui est généralement impossible aux échelles macroscopiques et microscopiques peut se produire à la nano-échelle, lorsque l’échantillon est composé de seulement quelques centaines d’atomes, et où le rapport de surface sur volume est grand. »

Des études théoriques antérieures (calculées à l’aide de la mécanique quantique) ont révélé que lorsque la contrainte élastique dépasse 1 %, les propriétés physicochimiques du diamant sont transformées, permettant ainsi de moduler ses caractéristiques électroniques. De plus, ce phénomène pourrait être utilisé pour adapter les propriétés mécaniques, thermiques, optiques, magnétiques, électriques et émettrices pour concevoir des matériaux de pointe pour diverses applications. Les débouchés potentiels comprennent le stockage des données grâce à l’utilisation conjointe de lasers servant à coder l’information. La biocompatibilité du matériau permet aussi de concevoir des biocapteurs plus fins et plus performants, et aussi servir à l’acheminement de médicaments dans les cellules où les nano-aiguilles à la fois dures et flexibles sont nécessaires.

https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=36155
http://science.sciencemag.org/content/360/6386/300
http://news.mit.edu/2018/bend-stretch-diamond-ultrafine-needles-0419
https://newscentre.cityu.edu.hk/media/news/2018/04/23/elastic-properties-nano-diamond-revealed-first-time
https://eurekalert.org/pub_releases/2018-05/unio-uin052418.php
https://phys.org/news/2018-04-diamond-flexible-ultrafine-needles.html
https://www.youtube.com/watch?time_continue=12&v=TsGU4lAOqNs
http://www.maxisciences.com/diamant/contre-toute-attente-les-diamants-se-revelent-flexibles-sous-le-microscope_art40652.html
http://www.scienceandtechnologyresearchnews.com/%e2%80%8bworlds-hardest-material-diamond-is-flexible/

Rédacteur : Vincent de Brix, Chargé de mission scientifique - Hong Kong