From soft hcb (2D) C16 to ultrahard lon (3D) C16 and derived superhard carbonitride tpd-C12N4: Structure engineering and DFT
Cette étude utilise l'ingénierie de la chimie cristalline et la théorie de la fonctionnelle de la densité pour transformer un allotrope de carbone 2D stratifié et mou hcb-C16 en une structure 3D de type lonsdaleite lon-C16 ultra-dure et en un carbonitrure de carbone tpd-C12N4 super-dur dérivé, en caractérisant leur stabilité mécanique, leurs propriétés électroniques et leur comportement thermique.
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Le carbone est un maître du déguisement. Sous sa forme la plus familière, il s'organise en feuilles de nid d'abeille plates qui glissent facilement les unes sur les autres, créant la matière noire et tendre que nous connaissons sous le nom de graphite. Sous une pression immense, ces mêmes atomes peuvent se verrouiller ensemble dans une cage tridimensionnelle rigide, formant la substance naturelle la plus dure connue : le diamant. Les scientifiques sont depuis longtemps fascinés par l'espace entre ces deux extrêmes, cherchant de nouvelles manières d'organiser les atomes de carbone pour créer des matériaux dotés de propriétés spécifiques et utiles. L'objectif est d'élaborer des structures qui ne soient pas seulement dures, mais ultra-dures, dépassant potentiellement même le diamant en termes de résistance, ou de créer des matériaux capables de conduire l'électricité de manières que le diamant ne peut pas. Cette quête repose sur la compréhension de la manière dont la forme du squelette atomique d'un matériau dicte son comportement, un domaine où les simulations informatiques jouent désormais un rôle de premier plan pour prédire ce que la nature aurait pu omettre.
Dans une étude récente, des chercheurs de l'Université Libano-Allemande ont exploré une voie spécifique pour transformer une structure de carbone bidimensionnelle et molle en une structure tridimensionnelle et ultra-dure. Ils ont commencé avec une feuille théorique d'atomes de carbone connue sous le nom de hcb-C16. Dans cet état, les atomes sont disposés en une couche unique, liés d'une manière qui rend le matériau relativement mou et capable de conduire l'électricité, tout comme le graphite utilisé dans les crayons. L'équipe a utilisé une modélisation informatique avancée pour simuler ce qui se passerait si elle poussait et tirait sur cette feuille plate, spécifiquement en faisant gaufrir les couches le long d'un axe vertical. Ce processus, appelé gauchissement (puckering), force les atomes à sortir de leur plan plat pour adopter un nouvel arrangement tridimensionnel.
Le résultat de cette ingénierie structurelle fut une nouvelle forme de carbone appelée lon-C16. Contrairement à son prédécesseur plat, cette nouvelle structure est construite à partir de tétraèdres, des formes pyramidales où chaque atome de carbone est relié à quatre voisins. Cette géométrie est similaire à celle de la lonsdaléite, une forme hexagonale rare de diamant que l'on trouve sur les sites d'impact de météorites. Les simulations ont montré que cette transformation changeait fondamentalement le caractère du matériau. La feuille conductrice et molle est devenue un solide isolant et ultra-dur. Les chercheurs ont calculé que ce nouvel allotrope posséderait une dureté de 95 gigapascals, une valeur égale à celle du diamant. Cela suggère qu'en réorganisant simplement les atomes existants d'une feuille plate en un réseau gauchi et tridimensionnel, on pourrait théoriquement créer un matériau aussi robuste que la pierre naturelle la plus dure.
L'équipe ne s'est pas arrêtée au carbone pur. Elle a appliqué la même logique structurelle pour créer un matériau apparenté en remplaçant certains atomes de carbone par des atomes d'azote, aboutissant à un composé appelé C12N4. Dans cette nouvelle structure, les atomes d'azote prennent la place de sites de carbone spécifiques au sein de la structure tétraédrique. Cette substitution a créé un matériau que les chercheurs ont classé comme super-dur, avec une dureté calculée de 61 gigapascals. Bien que moins dur que la version de carbone pur, ce carbonitrure est nettement plus dur que la feuille plate originale et offre des propriétés électroniques différentes. Les simulations ont indiqué que si la feuille de carbone plate conduit l'électricité et que la forme de carbone 3D pure agit comme un isolant, ce composé riche en azote se comporte comme un semi-conducteur, une propriété qui pourrait être précieuse pour les applications électroniques.
Pour s'assurer que ces matériaux n'étaient pas de simples fantaisies théoriques mais physiquement possibles, les chercheurs les ont soumis à des tests rigoureux au sein de leurs modèles informatiques. Ils ont vérifié la stabilité dynamique, ce qui revient à demander si les atomes vibreraient d'une manière qui provoquerait l'effondrement de la structure. La feuille de carbone plate a montré des signes d'instabilité dans ses vibrations, confirmant sa nature molle, mais la forme de carbone 3D et le composé azoté ont vibré de manière stable, suggérant qu'ils pourraient exister dans la réalité. L'équipe a également analysé la manière dont ces matériaux réagiraient à la chaleur, constatant que le comportement thermique de la forme de carbone 3D correspondait étroitement à celui du diamant naturel. L'étude conclut qu'à travers la manipulation minutieuse des couches atomiques, il est possible d'élaborer une famille de matériaux allant du mou et conducteur à l'ultra-dur et isolant, tous dérivés des mêmes blocs de construction de base.
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