Cultiver des diamants extrêmement minuscules et de taille uniforme, sans explosifs

Les diamants ne sont pas seulement des pierres précieuses scintillantes et scintillantes pour les bijoux. Les plus petits, d’une largeur de seulement quelques nanomètres, sont également cruciaux pour l’administration de médicaments, les capteurs et les processeurs d’ordinateurs quantiques. La production de nanoparticules de diamant de taille constante est importante pour le succès de ces technologies. Maintenant, les scientifiques rapportent une méthode pour faire pousser des nanodiamants ultra-uniformes sans avoir besoin d’explosifs. La technique pourrait également être utilisée pour ajouter des défauts bénéfiques à un seul atome dans des cristaux autrement parfaits.

Les chercheurs présenteront leurs résultats aujourd’hui lors de la réunion de printemps de l’American Chemical Society (ACS).

« Il est fascinant de constater que même si un diamant est chimiquement assez simple – c’est un élément, le carbone – fabriquer ce matériau à l’échelle du nanomètre est extrêmement difficile », déclare Hao Yan, Ph.D., chercheur principal du projet.

Le carbone devient un diamant lorsque les atomes de cet élément sont disposés en un motif cubique 3D rigide dans des conditions de haute pression et de haute température. Les chercheurs ont déjà créé des nanodiamants en laboratoire en faisant exploser un explosif, tel que le trinitrotoluène (connu sous le nom de TNT), dans un récipient en acier inoxydable scellé. L’explosion convertit le carbone du matériau explosif en minuscules particules de diamant. Cependant, cette méthode grossière est difficile à contrôler, explique Yan. Les cristaux qui se forment sont de taille inégale, nécessitant des étapes supplémentaires pour les trier selon les différentes technologies.

Pour concevoir un moyen plus précis de fabriquer des nanodiamants, le groupe de Yan à l’Université du nord du Texas s’est penché sur la chimie utilisée par la nature. « Nous avons réalisé que les endroits où les diamants se forment dans le manteau terrestre contiennent beaucoup de composés de fer et de fer-carbone, y compris des carbures et des carbonates », explique Yan. Et lorsque le carbure de fer réagit avec l’oxyde de fer entre la croûte et le manteau supérieur, les diamants se développent.

Fort de ces connaissances, Tengteng Lyu, un étudiant diplômé du laboratoire de Yan qui présente ses travaux lors de la réunion, a conçu un processus chimique pour imiter l’environnement lithosphérique trouvé sous la surface de la Terre. Tout d’abord, Lyu a créé des nanoparticules de carbure de fer de taille uniforme comme source de carbone pour les diamants. Les minuscules particules étaient parsemées dans une matrice d’oxyde de fer, comme si le carbure de fer était des pépites de chocolat dans une pâte à biscuits.

Ensuite, Lyu a placé la « pâte » de précurseur de carbone dans un environnement à haute pression et à haute température, similaire aux conditions des endroits où se forment les diamants naturels. Les composés ont réagi et des nanodiamants très uniformes en ont résulté. La nouvelle méthode rend les cristaux aussi petits que 2 nm de large avec des différences entre eux de moins d’un nanomètre. Yan dit que c’est un ordre de grandeur supérieur à ce que n’importe qui peut faire sans traitement post-synthétique supplémentaire ou étapes de purification.

Créer des nanodiamants uniformes et parfaits est formidable, dit Yan, mais ces matériaux peuvent être encore plus utiles lorsqu’ils présentent des défauts, tels que des points vides dans la structure du diamant et le remplacement des atomes de carbone voisins par de l’azote, du silicium, du nickel ou un autre élément. Parce que les atomes non carbonés colorent légèrement le matériau, ils sont appelés « centres de couleur ». Les nanoparticules avec un seul centre de couleur sont hautement souhaitables car elles peuvent stocker en toute sécurité des informations dans des ordinateurs quantiques et des appareils de télécommunication.

Traditionnellement, un faisceau d’atomes à haute énergie, comme l’azote ou le silicium, est utilisé pour bombarder le diamant et intégrer ces éléments dans la structure du cristal. Cependant, cette méthode ne peut pas contrôler le nombre de centres de couleur ajoutés à un diamant, ce qui nécessite des étapes de post-traitement pour obtenir des cristaux avec un défaut à un seul atome. De plus, selon les travaux de modélisation informatique approfondis de Lyu, lorsque le diamètre des diamants se réduit à 2-3 nm – la plage de tailles que l’équipe de Yan peut désormais établir de manière cohérente – cette approche par faisceau d’atomes devient énergétiquement défavorable. Mais avec leur nouvelle méthode, Yan pense qu’ils pourraient concevoir un moyen de remplacer un carbone parmi les milliers présents dans leur « pâte » de précurseurs de carbone. Il estime qu’ils pourraient maintenant fabriquer suffisamment de nanodiamants centraux unicolores pour quelques milliers d’ordinateurs quantiques avec une expérience de synthèse, bien que les minuscules cristaux devraient être disposés correctement avant que les calculs puissent être effectués.

« Nous avons maintenant une plate-forme idéale pour concevoir un moyen de fabriquer un nanodiamant central unicolore, ce qui est une percée pour un certain nombre de technologies liées au diamant. Mais aussi, dans un sens plus large, ce serait une démonstration fascinante de la façon dont vous peut contrôler un seul atome dans une structure beaucoup plus grande », explique Yan.