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La naissance mystérieuse du carbone vitreux : comment Bernard Redfern a-t-il découvert ce matériau étrange ?
Le carbone de verre, également connu sous le nom de carbone vitreux ou carbone vitreux, est un matériau carboné non graphitisable qui combine les propriétés du verre et de la céramique avec les caractéristiques du graphite. Ses principales propriétés comprennent une stabilité thermique élevée, une conductivité thermique élevée, une dureté (7 sur l'échelle de Mohs), une faible densité, une faible résistance électrique, un faible frottement, une résistance extrêmement élevée aux attaques chimiques et une imperméabilité aux gaz et aux liquides. Ce matériau est largement utilisé comme matériau d’électrode en électrochimie, comme creuset à haute température et comme composant de certains membres prothétiques. Le carbone vitreux peut être produit sous différentes formes, tailles et sections transversales, et les termes « carbone vitreux » et « carbone vitreux » ont été enregistrés comme marques commerciales, tandis que l'IUPAC ne recommande pas leur utilisation comme termes techniques. Avec la publication d’une revue historique du carbone vitreux en 2021, les origines de ce matériau ont attiré une large attention.
Contexte historiqueLe carbone de verre est apparu pour la première fois dans les laboratoires de The Carborundum Company à Manchester, en Angleterre, où il a été découvert par le scientifique des matériaux et expert en technologie du diamant Bernard Redfern au milieu des années 1950. Il a remarqué que le ruban adhésif utilisé pour maintenir un échantillon de céramique (buse de fusée) sur le sol du four se transformait en une structure inhabituelle après frittage dans une atmosphère inerte et conservait sa forme d'origine.
Redfern a ensuite exploré une matrice polymère pour imiter la structure du diamant et a découvert une résine phénolique qui, après un traitement spécial, se solidifierait sans catalyseur. Les creusets fabriqués à partir de cette résine sont distribués à de nombreuses organisations, telles que UKAEA Harwell. Cependant, Redfern quitta Carbone et la société mit officiellement fin à tout intérêt dans l'invention du carbone vitreux.
Le développement de Plessey
Alors qu'il travaillait au laboratoire Plessey à Towset, en Angleterre, Redfern a reçu un creuset en carbone vitreux de l'UKAEA et l'a reconnu comme étant celui qu'il avait fabriqué plus tôt, car il avait gravé le précurseur non carbonisé avec une marque. La société a établi des laboratoires à Litchborough et a ensuite établi des installations permanentes à Caswell, dans le Northamptonshire, qui sont devenues Plessey Research Caswell et le centre de recherche Allen Clark. Le développement du carbone vitreux à Plessey est une évidence, et bien que la contribution de Redfern à l'invention et à la production du carbone vitreux soit reconnue, la référence à lui dans les publications ultérieures de Cowlard et Lewis n'est pas évidente.
Redfern a déposé une demande de brevet au Royaume-Uni le 11 janvier 1960 et a ensuite obtenu le brevet américain 3 109 712A le 5 novembre 1963.
Propriétés des matériaux et applications
Le verre carbone a un taux de retrait très uniforme et prévisible, ce qui permet de réaliser des raccords précis à l'état polymère. Certains des premiers échantillons de GaAs ultra-purs ont été purifiés par zone dans ces creusets car le carbone vitreux n'est pas réactif envers GaAs. De plus, le dopage du carbone vitreux présente également des phénomènes semi-conducteurs.
Sa forme poreuse, appelée carbone vitreux réticulé (RVC), a été développée pour la première fois au milieu des années 1960 comme matériau d'électrode en carbone vitreux thermiquement isolant et microporeux. Ces propriétés rendent les RVC très utiles en électrochimie, notamment comme électrodes tridimensionnelles.
Structure et propriétés électrochimiques
La structure du carbone vitreux a longtemps été controversée. Les premiers modèles structurels supposaient la présence d'atomes liés à sp2 et sp3 dans le carbone vitreux, mais on sait maintenant que le carbone vitreux est entièrement lié à sp2.
En électrochimie, le carbone vitreux est considéré comme une électrode inerte pour la réduction des ions hydroxyde en solution aqueuse. Ces caractéristiques le rendent indispensable dans la fabrication de capteurs. En raison de son orientation de surface spécifique, le carbone vitreux est utilisé pour fabriquer divers types d'électrodes modifiées et présente une bonne stabilité dans les applications biocompatibles telles que les implants dentaires.
Avec les progrès de la science et de la technologie et l'approfondissement de la recherche sur les matériaux, le champ d'application et la technologie du carbone vitreux continuent de s'élargir et d'évoluer. La combinaison unique de céramique et de matériaux semblables au verre crée sans aucun doute d’innombrables possibilités dans les domaines de la science et de l’ingénierie modernes.
Alors que nous réfléchissons à nouveau à la contribution de ce scientifique et aux applications potentielles de ce matériau, nous ne pouvons nous empêcher de nous demander : comment les futures innovations technologiques changeront-elles la façon dont nous comprenons et utilisons ce matériau ?
