Après plus de trois décennies de travail, les scientifiques pensent avoir créé un matériau presque incassable qui rivalise avec le diamant en tant que substance la plus dure sur Terre. Une équipe internationale dirigée par des chercheurs du Centre for Extreme Conditions Science de l'Université d'Édimbourg a réalisé une percée en synthétisant des précurseurs de carbone et d'azote pour créer un nitrure de carbone plus dur que le nitrure de bore cubique, actuellement le deuxième matériau le plus dur après le diamant.
Dominique Laniel, de l'Université d'Édimbourg, a déclaré : « En découvrant le premier nouveau matériau en nitrure de carbone, nous sommes incrédules qu'un matériau dont les chercheurs rêvaient depuis trois décennies soit enfin disponible. Ces matériaux fournissent une impulsion puissante pour combler le fossé entre la synthèse de matériaux à haute pression et les applications industrielles. »
Si les scientifiques ont reconnu le potentiel des carbonitrures dès les années 1980, notamment leur haute résistance à la chaleur, leur création était une autre histoire. En fait, jusqu’à présent, aucune étude crédible n’a été menée sur leur synthèse.
Les chercheurs ont souligné dans le rapport de recherche : « Les carbonitrures avec une structure tridimensionnelle de tétraèdres CN4 constituent un grand souhait de la science des matériaux. »
L'équipe de recherche, qui comprenait également des experts en matériaux de l'Université de Bayreuth en Allemagne et de l'Université de Linköping en Suède, a réussi l'exploit en soumettant différentes formes de précurseurs carbone-azote à des pressions de 70 à 135 gigapascals (ou un million de fois la pression atmosphérique) tout en les chauffant à plus de 1 500 °C (2 732 °F).
L'arrangement atomique a ensuite été examiné à l'aide de faisceaux de rayons X au Centre européen de recherche sur le synchrotron en France, au Deutsche Electron Synchrotron en Allemagne et à l'Advanced Photon Source aux États-Unis.
L’analyse a montré que les composés de nitrure de carbone synthétisés contenaient trois structures nécessaires aux matériaux ultra-durs révolutionnaires. Les scientifiques ont ensuite été surpris de constater que les trois composés conservaient leurs propriétés ultra-dures après refroidissement et retour à la pression ambiante.
L’équipe estime que cette avancée ouvre la voie à une variété d’utilisations, notamment des revêtements protecteurs pour véhicules et engins spatiaux, des outils de coupe puissants et des photodétecteurs.
"Ces matériaux excellent non seulement par leur polyvalence, mais montrent également que des phases technologiquement pertinentes peuvent être récupérées à partir de conditions de pression synthétique équivalentes à des milliers de kilomètres à l'intérieur de la Terre. Nous sommes convaincus que cette recherche collaborative ouvrira de nouvelles possibilités dans ce domaine", déclare Florian Trybel, professeur adjoint à l'université de Linköping.
Bien que la portée fonctionnelle de ce composé incompressible de nitrure de carbone ne soit pas encore connue, les chercheurs ont également découvert que le composé possède des propriétés photoluminescentes, piézoélectriques et de haute densité énergétique, lui permettant de stocker de grandes quantités d'énergie avec une petite quantité de masse.
Les chercheurs ont déclaré dans le rapport de recherche : « Les études sur les propriétés physiques montrent que ces matériaux à liaison covalente forte sont ultra-incompressibles et ultra-durs, ainsi que possèdent des propriétés de densité énergétique, piézoélectriques et photoluminescentes élevées. Les nouveaux carbonitrures sont uniques parmi les matériaux à haute pression car ils sont produits à des pressions supérieures à 100 GPa et peuvent être restaurés dans des conditions ambiantes dans l'air. »
La recherche a été publiée dans la revue Advanced Materials.