Le problème avec la transformation du graphite en diamant

La conversion du graphite en diamant est un rêve de longue date des alchimistes du monde entier. À l'ère moderne, les scientifiques des matériaux se sont interrogés sur ce processus, car il est difficile de comprendre pourquoi la conversion est si difficile.

Mesurez l'énergie libre du graphite et du diamant et vous constaterez qu'ils sont plus ou moins les mêmes. Cela implique que la conversion de l'un dans l'autre devrait être facile.

Et pourtant, dans les expériences, la conversion ne fonctionne qu'à des températures bien supérieures à 1700K et à des pressions supérieures à 12 GigaPascals. Il n'est donc pas étonnant que le diamant soit si rare et précieux

Mais pourquoi le graphite devrait-il être si réticent à faire le changement ? Aujourd'hui, Rustam Khaliullin de l'Ecole polytechnique fédérale de Zurich et quelques amis disent qu'ils pensent savoir pourquoi. Ces gars-là ont créé un modèle informatique du processus qui a identifié la raison pour laquelle le diamant est si réticent à se former.

Les scientifiques des matériaux ont longtemps cru que le processus de conversion devait commencer par la nucléation du diamant dans le graphite suivie d'une croissance. Il est facile d'imaginer qu'un tel processus serait simple à modéliser à partir des premiers principes sur un ordinateur.

Cela s'est avéré ne pas être le cas. L'énergie de surface du diamant est extrêmement élevée, de sorte que les petits diamants de quelques atomes seulement ne peuvent pas facilement se former (l'énergie de surface est tout simplement trop élevée).

Cela signifie que la graine initiale dans la nucléation du diamant doit être constituée de dizaines de milliers d'atomes de carbone. C'est trop pour n'importe quelle simulation informatique standard à partir des premiers principes.

Khaliullin et ses amis adoptent une approche différente. Ils utilisent un réseau neuronal pour simuler la surface d'énergie potentielle qui existe à travers les feuilles de graphite lorsqu'elles sont fléchies. Cette approche ignore les détails de chaque liaison carbone et se concentre plutôt sur la structure moléculaire plus générale.

De cette façon, la simulation peut gérer les dizaines voire les centaines de milliers d'atomes nécessaires. Khaliullin et co disent que cela leur a permis d'effectuer la première étude atomistique de la nucléation homogène du diamant à partir du graphite

Les résultats sont intrigants. Pour former le diamant, les anneaux hexagonaux en graphite doivent d'abord se déformer. Il existe essentiellement deux façons dont un anneau hexagonal peut se déformer. Les extrémités opposées de l'hexagone peuvent toutes deux fléchir vers le haut en formant une forme de bateau ; ou une extrémité de l'hexagone peut fléchir vers le haut et l'autre vers le bas en formant une forme de chaise.

Khaliullin et co montrent qu'à basse pression, en dessous de 10 GPa, les anneaux hexagonaux en graphite ont tendance à former la structure en forme de bateau. Lorsque cela se produit, le graphite se transforme en un allotrope métastable de carbone appelé diamant hexagonal.

C'est, disent-ils, la raison pour laquelle le diamant est si difficile à fabriquer : le carbone préfère se transformer en une structure hexagonale différente.

En fait, c'est exactement ce qui se passe dans les expériences lorsque le graphite est comprimé et chauffé en dessous des températures critiques de formation du diamant. Le diamant hexagonal est aussi parfois trouvé dans les météorites.

Khaliullin et ses collaborateurs montrent qu'à haute pression, les hexagones en forme de chaise se forment et que ceux-ci amorcent la formation du diamant. Ils montrent également qu'à mesure que la pression augmente, la taille de la graine de diamant nécessaire pour déclencher la nucléation diminue également. C'est pourquoi le diamant se forme beaucoup plus facilement à 50 GPa qu'à 20 GPa.

Cela ne facilitera pas la transformation du charbon en bijoux. Mais cela donne aux scientifiques des matériaux un nouvel aperçu de l'un des problèmes les plus intéressants qui les ont intrigués ces dernières années.

Réf : arxiv.org/abs/1101.1406 : Mécanisme de nucléation pour la transition de phase directe graphite-diamant

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