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Carbone amorphe mystérieux : pourquoi sa structure est-elle si unique
Dans la science des matériaux et la chimie moderne, le carbone amorphe, en tant que forme particulière de carbone, a attiré l’attention d’innombrables chercheurs. Ce type de carbone est unique en ce sens qu’il ne possède aucune structure cristalline, ce qui en fait un matériau très flexible et polyvalent. Le carbone amorphe est souvent appelé aC. Lorsqu'il est combiné avec de l'hydrogène, il est appelé aC:H ou carbone amorphe hydrogéné (HAC). Le carbone amorphe tétraédrique est appelé ta-C, également connu sous le nom de carbone de forage. Dans le domaine de la science des matériaux, l’étude du carbone amorphe a révélé une variété d’applications potentielles, allant des appareils électroniques à la biomédecine. Les propriétés uniques du carbone amorphe en font un matériau digne d’une exploration approfondie.
Les matériaux en carbone amorphe peuvent stabiliser leur structure en se combinant avec l'hydrogène pour éliminer les liaisons π aux coins.
En minéralogie, le terme carbone amorphe est utilisé pour décrire le charbon, le carbone dérivé du carbure et d'autres formes impures de carbone. Ces substances ne sont pas du graphite ou du diamant typique. Bien que ces matériaux ne soient pas complètement amorphes cristallographiquement, ils sont souvent des matériaux polycristallins avec les propriétés du graphite ou du diamant. Dans les applications commerciales, le carbone amorphe contient souvent d’autres éléments qui peuvent former des impuretés cristallines importantes, ce qui complique encore davantage les propriétés du carbone amorphe.
Avec le développement des techniques modernes de dépôt et de croissance de couches minces au cours de la seconde moitié du 20e siècle, telles que le dépôt chimique en phase vapeur, le dépôt par pulvérisation cathodique et le dépôt par arc cathodique, il est devenu possible de fabriquer des matériaux en carbone véritablement amorphes. Ces matériaux possèdent des électrons π localisés qui, comparés aux liaisons π aromatiques du graphite, forment des liaisons à des longueurs incompatibles avec d’autres allotropes de carbone. Le carbone amorphe contient également un nombre relativement élevé de liaisons pendantes, ce qui peut entraîner des écarts de plus de 5 % dans les distances interatomiques, et des changements significatifs dans les angles de liaison peuvent également être observés.
Les propriétés des films de carbone amorphe varient en fonction des paramètres utilisés lors du dépôt.
La principale méthode analytique pour la caractérisation du carbone amorphe consiste à mesurer le rapport des liaisons mixtes sp2 et sp3 dans le matériau. Le graphite est entièrement composé de liaisons mixtes sp2, tandis que le diamant est entièrement composé de liaisons mixtes sp3. Lorsque la proportion de liaisons mixtes sp3 dans le matériau est élevée, ce type de carbone amorphe est également appelé carbone amorphe tétraédrique ou carbone de type diamant. Cela est dû au fait que la forme à quatre côtés formée par les liaisons mixtes sp3 confère à ce type de matériau de nombreuses propriétés physiques similaires à celles du diamant. Expérimentalement, le rapport sp2 à sp3 peut être déterminé en comparant les intensités relatives de différents pics spectraux, notamment les spectroscopies EELS, XPS et Raman.
Il est intéressant de noter que, bien qu'il puisse être suggéré que les matériaux en carbone amorphe présentent un changement de propriété unidimensionnel entre le graphite et le diamant, en se basant sur le rapport sp2 à sp3, cela n'est pas réellement vrai. Les recherches actuelles apportent des informations sur les propriétés et les applications potentielles des matériaux en carbone amorphe. On ne peut ignorer que les entités carbonées hydrogénées présentes dans la vie quotidienne (par exemple, la fumée, la suie de cheminée, les charbons extraits comme le bitume et l’anthracite) contiennent de grandes quantités de goudrons HAP et sont donc presque toutes cancérigènes.
De plus, les recherches menées ces dernières années ont permis d’introduire un nouveau matériau en carbone amorphe appelé Q-carbon. Le carbone Q, abréviation de carbone recuit, est réputé être ferromagnétique, conducteur, encore plus dur que le diamant et capable de présenter une supraconductivité à haute température. En 2015, un professeur nommé Jagdish Narayan et son équipe de recherche ont annoncé pour la première fois la découverte du carbone Q. Ils ont publié de nombreux articles sur la synthèse et la caractérisation du carbone Q, mais plusieurs années plus tard, les propriétés de cette substance n'ont pas été vérifiées par des expériences indépendantes.
Selon les chercheurs, le carbone Q présente une structure amorphe aléatoire avec des liaisons sp2 et sp3 entrelacées.
L’équipe a utilisé des impulsions laser de l’ordre de la nanoseconde pour faire fondre le carbone, puis l’a rapidement refroidi pour former du Q-carbone ou un mélange de Q-carbone et de diamant. Le matériau peut prendre diverses formes, depuis des structures à nano-aiguilles jusqu’à de grands films de diamant. Ils ont également rapporté avoir fabriqué des matériaux tels que des nanodiamants à lacunes d’azote et du nitrure de bore Q, et ont créé une technique pour convertir le carbone en diamant à température et pression ambiantes. Bien qu'en 2018, un groupe de chercheurs de l'Université du Texas à Austin ait utilisé des simulations pour proposer une explication théorique de la supraconductivité à haute température, du ferromagnétisme et de la dureté du carbone Q, ces résultats n'ont pas été confirmés par d'autres.
Dans tous les cas, les recherches sur le carbone amorphe continuent de s’approfondir et cette forme particulière de matériau carboné a un grand potentiel. Comment le développement futur affectera-t-il nos vies et nos technologies ? Seul le temps pourra peut-être nous donner la réponse.
