Single-crystal X-ray diffraction of BC8 carbon near terapascal pressures
Cette étude rapporte la première identification cristallographique directe de la phase de carbone BC8, prédite de longue date, en tant que monocristal formé à partir de carbone fondu sous des pressions de l'ordre du térapascal, résolvant ainsi des décennies d'incertitude concernant les structures du carbone au-delà du diamant.
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Au plus profond des noyaux de planètes comme Uranus et Neptune, et peut-être au cœur de mondes lointains et exotiques, le carbone existe dans des conditions qui défient notre expérience quotidienne. Les pressions y sont si immenses qu'elles se mesurent en térapascals — une unité si grande qu'elle est difficile à visualiser, représentant des forces des millions de fois supérieures au poids de l'atmosphère qui s'exerce sur nous au niveau de la mer. Sous un tel poids écrasant, les formes familières du carbone que nous connaissons, comme le graphite tendre d'un crayon ou le diamant dur d'une bague, sont censées changer. Pendant des décennies, les scientifiques ont utilisé des ordinateurs puissants pour prédire qu'à ces profondeurs extrêmes, le carbone devrait se réorganiser en une nouvelle structure encore plus dense appelée BC8. Cette forme théorique est supposée être plus étroitement compactée que le diamant, pourtant, malgré quarante ans de recherche, personne ne l'avait jamais vue directement. La question demeurait : cette phase cachée de la matière existe-t-elle réellement, ou n'est-elle qu'un fantôme mathématique ?
Une équipe de chercheurs a maintenant répondu à cette question en créant la première preuve cristallographique directe du carbone BC8. Pour le trouver, ils n'ont pas attendu que la nature fournisse les conditions ; ils les ont plutôt recréées en laboratoire à l'aide d'un laser de haute puissance. En projetant une impulsion de lumière brève et intense sur un cristal unique de diamant, ils ont généré une onde de choc qui a traversé le matériau, le compressant à des pressions comprises entre 1,1 et 1,2 térapascal. Ce processus a été si rapide qu'il s'est produit en un milliardième de seconde, mais il était assez rapide pour faire fondre le diamant en un état liquide puis, à mesure que l'onde de choc faiblissait, permettre aux atomes de carbone de se refroidir et de se reformer en un solide. Les chercheurs ont capturé ce moment fugace en projetant une impulsion d'X-rays synchronisée sur l'échantillon, laquelle a agi comme le flash d'un appareil photo à haute vitesse, figeant la structure atomique sur place.
Les images résultantes n'étaient pas les motifs flous et étalés que l'on pourrait attendre d'un événement aussi chaotique. Au lieu de cela, les rayons X ont produit des points nets et distincts, semblables aux reflets clairs observés lorsque la lumière frappe une pierre précieuse taillée. Ces points sont la signature d'un cristal, et en mesurant les angles et les distances entre eux, les scientifiques ont pu cartographier l'arrangement exact des atomes de carbone. Le motif qu'ils ont trouvé correspondait parfaitement à la géométrie prédite de la structure BC8. Ce fut une avancée significative car les expériences précédentes n'avaient pu que deviner la structure à partir de signaux larges et flous, ou avaient échoué à voir une nouvelle phase du tout. Dans cette étude, les chercheurs ont pu prouver que le carbone s'était effectivement transformé en un cristal unique et cohérent de BC8, plutôt que de rester sous forme de diamant ou de devenir un liquide désordonné.
L'expérience a également révélé quelque chose de crucial sur la manière dont cette transformation se produit. Il s'est avéré que le simple fait de presser le carbone par la pression ne suffit pas à le forcer à prendre la forme BC8 ; le matériau doit également être chauffé puis refroidi d'une manière spécifique. Le diamant devait d'abord fondre, permettant aux atomes d'avoir la liberté de se déplacer et de trouver leurs nouvelles positions plus serrées avant de se verrouiller à nouveau en place. Cette découverte explique pourquoi les tentatives précédentes de création de BC8 avaient échoué ; ces expériences maintenaient souvent le carbone à l'état solide tout au long du processus, le piégeant dans sa forme de diamant. En guidant le carbone à travers un état liquide, les chercheurs ont débloqué une voie que la nature utilise probablement dans les intérieurs profonds des planètes.
La densité de ce carbone BC8 nouvellement observé a été mesurée à environ 7,19 grammes par centimètre cube, une valeur qui correspond aux prédictions théoriques pour cette phase de haute pression. Les chercheurs ont noté que la structure cristalline présentait de légères distorsions, probablement dues à la chaleur extrême et à la pression inégale lors de l'expérience de l'instant éphémère, mais l'identité fondamentale du matériau était incontestable. Cette découverte fait plus que confirmer une théorie de longue date ; elle fournit un point de repère concret pour comprendre la composition des planètes riches en carbone et améliore nos connaissances sur le comportement des matériaux dans les conditions les plus extrêmes imaginables. Elle ouvre également la porte à de futures études, suggérant que si les scientifiques parviennent à capturer et à maintenir ce matériau, ils pourraient un jour être capables d'étudier ses propriétés uniques, comme savoir s'il est plus dur que le diamant ou comment il conduit l'électricité. Pour l'instant, la quête de plusieurs décennies pour trouver la phase BC8 du carbone est passée du domaine des simulations informatiques à la réalité du laboratoire.
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