Comment optimiser la fabrication de nanodiamants de synthèse
Publié par Adrien le 07/11/2018 à 08:00
Source: CEA

pixabay/creative commons
Dans une étude publiée par The Journal of Chemical Physics, des physiciens du CEA et du laboratoire NS3E à l'Institut Franco-Allemand de Saint Louis ont mis au point un modèle théorique et numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition...) qui permet d'explorer les conditions expérimentales nécessaires à la formation de nanodiamants dans un procédé de synthèse de type explosif (Un explosif est un composé chimique défini ou un mélange de corps susceptibles lors de leur transformation, de dégager en un temps très court, un grand volume de gaz...). Leur modèle pourrait permettre d'optimiser les procédés industriels de fabrication de tels matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) utiles en médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la pratique (l'art) étudiant l'organisation du corps humain...) comme dans l'industrie.

Les nanodiamants ont des propriétés physico-chimiques spécifiques qui possèdent de nombreuses applications potentielles telles que la synthèse de matériaux bio-compatibles innovants, de vecteurs de transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications...) ciblés pour les médicaments, ou de capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure,...) de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au...) magnétique.

La compréhension et la maitrise des voies de synthèse de ces particules présentent donc un intérêt tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) particulier. Celles-ci ne peuvent être obtenues qu'en soumettant un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés...) fortement carboné à des conditions explosives dans lesquelles pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) et température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations...) sont très élevées pendant des temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de l'ordre de quelques nanosecondes (milliardièmes de secondes). Le procédé industriel le plus courant pour la synthèse de nanodiamants est la détonation (Une détonation est une onde de combustion extrêmement violente, qui se propage à une vitesse supersonique.) d'explosifs eux-mêmes composés de matériaux organiques riches en carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) (comme les mélanges à base de TNT par exemple).

Ces processus sont connus depuis plus de 50 ans et, depuis une vingtaine d'années, les chercheurs essaient de comprendre leurs mécanismes et l'industrie d'optimiser les procédés de production. Toutefois, les conditions extrêmes nécessaires étant difficiles à maîtriser, à reproduire et à modéliser, les approches sont encore essentiellement empiriques.

Une équipe du CEA (Centre de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) DAM Île-de-France, Bruyères-le-Châtel) a développé un protocole de simulation basé sur une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de matière possédant...) modèle simple, le suboxyde de carbone C3O2, permettant de comprendre les conditions de température et de pression qui favorisent la nucléation de ces nanodiamants. Le résultat de leur étude est publié dans The Journal of Chemical Physics (21 septembre 2018).

Leur modèle permet d'établir différents scenarii permettant d'aboutir, ou pas, à ces nanoparticules d'un grand intérêt académique et appliqué:

- Lorsque la pression est trop faible, les phases solides formées, riches en carbone mais insuffisamment denses, ne permettent pas la formation de nanodiamants.

- Lorsque la pression est trop élevée, la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) solide est suffisamment dense mais polluée par les hétéroatomes de la molécule initiale, tels que l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) ou l'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz diatomique diazote N2,...), ce qui empêche la transition vers le diamant (Le diamant est un minéral composé de carbone (tout comme le graphite et la lonsdaléite), dont il représente l'allotrope de haute pression, qui cristallise dans le...).

- Une voie de synthèse efficace semble donc être une pression initiale élevée suivie d'une forte diminution de pression, ce qui permet la formation de structures denses s'appauvrissant progressivement en hétéroatomes. Alors les conditions appropriées (densité, fractions purement carbonées) sont remplies et les nanodiamants se forment plutôt spontanément. Ces chemins de pression complexes sont typiques des processus de détonation.

Ces travaux visent à comprendre comment mieux contrôler et affiner la formation de nanodiamants, améliorant ainsi notre capacité à manipuler leurs diverses propriétés. Ils devront être suivis d'une mise en oeuvre expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et politique. En science, il s'agit d'approches de...) dans les conditions indiquées par le modèle.


Observation par microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre visible des éléments...) électronique à transmission de nanodiamants de détonation synthétisés au laboratoire NS3E/ISL. © V. Pichot et al..SCIENTIFIC REPORTS 3, 2159 (2013)

Références

X. Bidault & N. Pineau, Dynamic formation of nanodiamond precursors from the decomposition of carbon suboxide (C3O2) under extreme conditions-A ReaxFF study, THE JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS 149, 114301 (2018)
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