demandez à la plupart des gens quel est le matériau le plus dur sur Terre et ils répondront probablement « diamant”. Son nom vient du mot grec adδάμας (adámas) qui signifie « incassable” ou « invincible” et est d’où nous obtenons le mot « inflexible”. La dureté du diamant lui confère des capacités de coupe incroyables qui, avec sa beauté, l’ont maintenu en forte demande pendant des milliers d’années.,
Les scientifiques modernes ont passé des décennies à chercher des alternatives moins chères, plus dures et plus pratiques et toutes les quelques années, la nouvelle annonce la création d’un nouveau « matériau le plus dur du monde”. Mais l’un de ces challengers est-il vraiment à la hauteur?
malgré son allure unique, le diamant est simplement une forme spéciale, ou « allotrope”, de carbone. Il existe plusieurs allotropes dans la famille du carbone, y compris les nanotubes de carbone, le carbone amorphe, le diamant et le graphite., Tous sont constitués d’atomes de carbone, mais les types de liaisons atomiques entre eux diffèrent, ce qui donne lieu à différentes structures et propriétés matérielles.
la coquille la plus externe de chaque atome de carbone a quatre électrons. Dans le diamant, ces électrons sont partagés avec quatre autres atomes de carbone pour former des liaisons chimiques très fortes résultant en un cristal tétraédrique extrêmement rigide. C’est cet arrangement simple et étroitement lié qui fait du diamant l’une des substances les plus dures sur Terre.
Comment dur?
La dureté est une propriété importante des matériaux et détermine souvent à quoi ils peuvent servir, mais elle est également assez difficile à définir. Pour les minéraux, la dureté des rayures est une mesure de la résistance à l’égratignure par un autre minéral.
Il existe plusieurs façons de mesurer la dureté, mais généralement un instrument est utilisé pour faire une bosse dans la surface du matériau. Le rapport entre la surface de l’indentation et la force utilisée pour la faire produit une valeur de dureté. Plus le matériau est dur, plus la valeur est élevée., Le test de dureté Vickers utilise une pointe de diamant pyramidale à base carrée pour effectuer le retrait.
L’acier doux a une valeur de dureté Vickers d’environ 9 GPa tandis que le diamant a une valeur de dureté Vickers d’environ 70 – 100 GPa. La résistance du diamant à l’usure est légendaire et aujourd’hui, 70% des diamants naturels du monde se trouvent dans des revêtements résistants à l’usure pour les outils utilisés dans la coupe, le perçage et le meulage, ou comme additifs aux abrasifs.
le problème avec le diamant est que, bien qu’il puisse être très dur, il est également étonnamment instable., Lorsque le diamant est chauffé au-dessus de 800℃ dans l’air, ses propriétés chimiques changent, affectant sa résistance et lui permettant de réagir avec le fer, ce qui le rend inadapté à l’usinage de l’acier.
Ces limites d’utilisation ont conduit à un accent croissant sur le développement de nouveaux matériaux ultra-durs, chimiquement stables, en remplacement. De meilleurs revêtements résistants à l’usure permettent aux outils industriels de durer plus longtemps entre le remplacement des pièces usées et réduisent le besoin de liquides de refroidissement potentiellement dangereux pour l’environnement. Les scientifiques ont jusqu’à présent réussi à trouver plusieurs rivaux potentiels au diamant.,
le nitrure de Bore
le nitrure de bore, produit pour la première fois en 1957, est similaire au carbone en ce sens qu’il possède plusieurs allotropes. Sous sa forme cubique (C-BN), il partage la même structure cristalline que le diamant, mais au lieu d’atomes de carbone, il est composé d’atomes de bore et d’azote liés alternativement. c-BN est chimiquement et thermiquement stable, et est couramment utilisé aujourd’hui comme revêtement de machine-outil superhard dans les industries automobile et aérospatiale.,
Mais le nitrure de bore cubique reste, au mieux, le deuxième matériau le plus dur au monde avec une dureté Vickers d’environ 50 GPa. Sa forme hexagonale (W-BN) a été initialement signalée comme étant encore plus dure, mais ces résultats étaient basés sur des simulations théoriques qui prédisaient une force d’indentation 18% plus élevée que celle du diamant. Malheureusement, w-BN est extrêmement rare dans la nature et difficile à produire en quantités suffisantes pour tester correctement cette affirmation par expérience.
diamant Synthétique
Le diamant synthétique existe également depuis les années 1950 et est souvent considéré comme plus dur que le diamant naturel en raison de sa structure cristalline différente. Il peut être produit en appliquant une pression et une température élevées au graphite pour forcer sa structure à se réorganiser dans le diamant tétraédrique, mais cela est lent et coûteux. Une autre méthode consiste à le construire efficacement avec des atomes de carbone prélevés dans des gaz d’hydrocarbures chauffés, mais les types de substrat que vous pouvez utiliser sont limités.,
produire des diamants crée synthétiquement des pierres polycristallines et constituées d’agrégats de cristallites ou de « grains” beaucoup plus petits allant de quelques microns à plusieurs nanomètres. Cela contraste avec les grands monocristaux de la plupart des diamants naturels utilisés pour les bijoux. Plus la taille du grain est petite, plus il y a de limites de grain et plus le matériau est dur. Des recherches récentes sur certains diamants synthétiques ont montré qu’il avait une dureté Vickers allant jusqu’à 200 GPa.
Q-carbone
plus récemment, des chercheurs de la North Carolina State University ont créé ce qu’ils ont décrit comme une nouvelle forme de carbone, distincte des autres allotropes, et qui serait plus dure que le diamant. Cette nouvelle forme a été réalisée en chauffant du carbone non cristallin avec une impulsion laser rapide de haute puissance à 3 700 °C, puis en le refroidissant ou en le « trempant » rapidement-d’où le nom de « q – carbon”-pour former des diamants de la taille d’un micron.,
Les scientifiques ont découvert que le carbone Q était 60% plus dur que le carbone de type diamant (un type de carbone amorphe ayant des propriétés similaires au diamant). Cela les a amenés à s’attendre à ce que le carbone Q soit plus dur que le diamant lui-même, bien que cela reste à prouver expérimentalement. Q-carbon a également les propriétés inhabituelles d’être magnétique et brillant lorsqu’il est exposé à la lumière. Mais jusqu’à présent, son utilisation principale a été une étape intermédiaire dans la production de minuscules particules de diamant synthétique à température et pression ambiantes., Ces nanodiamants sont trop petits pour les bijoux mais idéaux comme matériau de revêtement bon marché pour les outils de coupe et de polissage.