La nouvelle forme de carbone est plus résistante que le graphène et le diamant

Le sixième élément, le carbone, nous a donné une incroyable abondance de matériaux extraordinaires. Autrefois, il n'y avait que du carbone, du graphite et du diamant. Mais ces dernières années, les chimistes ont ajouté des buckyballs, des nanotubes et un certain nombre de formes exotiques créées à partir de graphène, l'équivalent moléculaire du grillage.

Il est donc difficile de croire que le carbone a d'autres surprises dans son sac. Et pourtant, aujourd'hui, Mingjie Liu et ses amis de l'Université Rice à Houston calculent les propriétés d'une autre forme de carbone qui est plus forte, plus rigide et plus exotique que tout ce que les chimistes ont vu auparavant.

Le nouveau matériau est appelé carbyne. C'est une chaîne d'atomes de carbone qui sont liés soit par des liaisons triples et simples alternées, soit par des doubles liaisons consécutives.

Carbyne est quelque chose d'un mystère. Les astronomes pensent avoir détecté sa signature dans l'espace interstellaire, mais les chimistes se disputent depuis des décennies pour savoir s'ils ont déjà créé cette substance sur Terre. Il y a quelques années, cependant, ils ont synthétisé des chaînes de carbyne jusqu'à 44 atomes de long en solution.

La pensée jusqu'à présent a été que carbyne doit être extrêmement instable. En fait, certains chimistes ont calculé que deux brins de carbyne entrant en contact réagiraient de manière explosive.

Néanmoins, les nanotechnologues ont été fascinés par le potentiel de ce matériau car il devrait être à la fois solide et rigide et donc utile. Mais à quel point il est fort et raide, personne n'en est tout à fait sûr.

C'est là qu'interviennent Liu et ses collègues. Ces gars-là ont calculé à partir des premiers principes les propriétés en vrac du carbyne et les résultats en font une lecture intéressante.

Pour commencer, ils disent que le carbyne est environ deux fois plus rigide que les matériaux les plus rigides connus aujourd'hui. Les nanotubes de carbone et le graphène, par exemple, ont une rigidité de 4,5 x 10^8 N.m/kg mais le carbone les surpasse avec une rigidité d'environ 10^9 N.m/kg.

La résistance du nouveau matériau est tout aussi impressionnante. Liu et ses collègues calculent qu'il faut environ 10 nanoNewtons pour casser un seul brin de carbyne. Cette force se traduit par une force spécifique de 6,0 à 7,5 × 10^7 N∙m/kg, surpassant à nouveau de manière significative tous les matériaux connus, y compris le graphène (4,7-5,5 × 10^7 N∙m/kg), les nanotubes de carbone (4,3-5,0 ×10^7 N∙m/kg) et du diamant (2,5–6,5×107 N∙m/kg4), disent-ils.

Carbyne a aussi d'autres propriétés intéressantes. Sa flexibilité se situe quelque part entre celle d'un polymère typique et d'un ADN double brin. Et lorsqu'il est tordu, il peut soit tourner librement, soit devenir rigide en torsion en fonction du groupe chimique attaché à son extrémité.

Le plus intéressant est peut-être le calcul de la stabilité du carbyne par l'équipe Rice. Ils conviennent que deux chaînes en contact peuvent réagir, mais il existe une barrière d'activation qui empêche que cela se produise facilement. Cette barrière suggère la viabilité du carbyne en phase condensée à température ambiante de l'ordre de quelques jours, concluent-ils.

Tout cela devrait aiguiser l'appétit des nanotechnologues qui espèrent concevoir des nanomachines toujours plus exotiques, telles que des dispositifs nanoélectroniques et spintroniques. Compte tenu des progrès réalisés dans la fabrication de ce produit, nous n'aurons peut-être pas longtemps à attendre avant que quelqu'un commence à exploiter les propriétés mécaniques extraordinaires des chaînes en carbone pour de vrai.

Réf : arxiv.org/abs/1308.2258 : Carbyne From First Principles : Chain Of C Atoms, A Nanorod Ou A Nanorope ?

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