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6 matériaux sur Terre qui sont plus durs que les diamants


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UCL Mathematical & Physical Sciences

La majorité des personnes penseront directement aux diamants lorsqu’il s’agira de donner le nom du matériau le plus solide sur Terre. Nous allons donc sans doute en étonner plus d’un ici-bas où l’on s’apprête à citer des matières qui s’avèrent être bien plus résistantes encore que des diamants. Mais en premier lieu, qu’elle est la chose qui détermine la solidité d’un élément ?

En fait, il s’agit de l’organisation atomique et moléculaire d’un élément. Celle-ci se décline en un nombre quasi infini de combinaisons possibles et la combinaison spécifique de chaque matériau est ce qui va lui donner ses particularités chimiques et physiques.

Ainsi, le carbone est un des éléments les plus uniques. Avec seulement six protons dans son noyau, c’est l’élément le plus léger, mais néanmoins capable de former une multitude de liaisons complexes. Les géométries possibles de ces liaisons permettent également au carbone de s’auto-assembler, en particulier sous des pressions élevées, dans un réseau cristallin stable. C’est alors que dans des conditions idéales, les atomes de carbone peuvent former une structure solide et ultra-dure appelée diamant.

Avec l’avènement de la nanotechnologie, nous reconnaissons maintenant qu’il existe actuellement au moins six types de matériaux réputés plus solides qu’un diamant, et ce nombre ne devrait pas tarder à augmenter au fil du temps.

Avant de citer les incroyables éléments, arrêtons-nous d’abord sur 3 matériaux peut-être pas aussi tenaces que ces pierres précieuses, mais qui ont tout de même le mérite d’être remarquablement puissants et fascinants.

La toile d’araignée d’écorce de Darwin (Caerostris darwini) a un fil de soie plus résistant que celui de toute autre espèce d’araignées ou de la plupart des matériaux synthétiques. Il est d’une qualité 10 fois supérieure à celle de l’acier et est caractérisé par une combinaison d’extrême ténacité et d’élasticité.

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Toile de Caerostris darwini.
Lalueza-Fox, C., Agnarsson, I., Kuntner, M., Blackledge, T. A. (2010). Bioprospecting finds the toughest biological material: extraordinary silk from a giant riverine orb spider. PLoS ONE 5: e11234

Plus dur encore que n’importe quelle soie d’araignée, mais avec légèrement moins de dureté que les diamants, nous avons le carbure de silicium. Ce dernier a été découvert par l’inventeur américain Edward G. Acheson en 1891 en essayant de produire des diamants artificiels. À peu près au même moment, Henri Moissan produit en France un composé similaire à partir d’un mélange de quartz et de carbone. Notant également que du carbure de silicium naturel a ensuite été trouvé en Arizona dans la météorite Canyon Diablo et porte le nom de minéralogie moissanite.

Il n’est attaqué ni par les acides, ni par les alcalis, ni par les sels fondus jusqu’à 800 °C. La pureté chimique, la résistance aux attaques chimiques, et aux températures élevées ont rendu ce matériau non seulement utile dans une grande variété d’applications tirant parti de la dureté, tels que dans les freins et embrayages des voitures, ou dans les plaquettes à l’intérieur des gilets pare-balles et même dans certains usages électroniques.

Comme 3e mention honorable de matériau à peine moins dur que les diamants, nous avons les minuscules sphères de silice, d’un diamètre de 50 nanomètres à seulement 2 nanomètres qui ont été créés pour la première fois il y a environ 20 ans aux laboratoires Sandia National du ministère de l’Énergie.

Ce qui est remarquable à propos de ces nanosphères, c’est qu’elles sont creuses et qu’elles s’assemblent automatiquement en s’emboitant les unes dans les autres. Cet auto-assemblage est un outil incroyablement puissant dans la nature, et il est d’autant plus puissant lorsqu’il se fait avec des matériaux synthétiques.

Les diamants sont bien sûr plus durs que tous ceux-ci. Dans l’échelle de Mohs, inventée en 1812 par le minéralogiste allemand Friedrich Mohs pour mesurer la dureté des minéraux, le diamant (et sa structure cristalline d’atomes de carbone) atteint en effet la note maximale de 10 et il ne peut être « tranché » que par un autre diamant. Mais comme il a été introduit plus haut, il se fait déjà détrôner par 6 matériaux et peut-être bientôt d’autres encore…

6. Wurtzite

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Ce spécimen présente une rangée de cristaux de seligmannite tranchants de 1-2 mm dans une cavité protégée de matrice de dolomie sucrée. Au sommet de la grappe, ou en accentuant à la base en fonction de la vue, se trouve un grand cristal de wurtzite à couche plane de 1 cm.
Wikipedia Commons

Au lieu de carbone, nous pouvons créer un cristal à partir d’un certain nombre d’autres atomes, l’un d’eux étant le nitrure de bore (BN), où les cinquième et septième éléments du tableau périodique se rejoignent pour former diverses possibilités. Il peut être amorphe (non cristallin), hexagonal (semblable au graphite), cubique (semblable au diamant, mais légèrement plus faible) et sous la forme de wurtzite.

La dernière de ces formes est à la fois extrêmement rare et extrêmement dure. Formé lors d’éruptions volcaniques, le wurtzite n’a jamais été découvert qu’en quantités infimes, ce qui signifie que nous n’avons jamais testé ses propriétés de dureté de manière expérimentale. Cependant, il forme un autre type de réseau cristallin — un tétraédrique au lieu d’un cubique à faces centrées —, 18 % plus dur que le diamant, selon les simulations les plus récentes.

5. Lonsdaléite

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L’objet marqué a est composé uniquement de diamant, tandis que l’objet b est un mélange de diamant et de petites quantités de lonsdaleite.
HIROAKI OHFUJI ET AL., NATURE (2015)

Imaginez qu’un météore chargé de carbone, et donc de graphite, traverse notre atmosphère et entre en collision avec la Terre. Bien que vous puissiez imaginer ce météore en train de nous tomber dessus comme un corps incroyablement chaud, en réalité seules les couches extérieures deviennent chaudes ; les entrailles restent froides pendant la majeure partie (voire potentiellement) de leur voyage vers la Terre.

Cependant, lors de l’impact, les pressions à l’intérieur deviennent plus grandes que tout autre processus naturel à la surface de notre planète et entraînent la compression du graphite en une structure cristalline. Néanmoins, il ne possède pas le réseau cubique d’un diamant, mais plutôt un réseau hexagonal qui peut atteindre des duretés 58 % supérieures à celles du diamant.

Tandis que des exemples réels de Lonsdaléite contiennent suffisamment d’impuretés qui les rendent plus molles que les diamants, une météorite graphite sans impuretés frappant la Terre produirait sans aucun doute une matière plus dure que tout diamant terrestre.

4. Dyneema

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Cette image montre une vue rapprochée d’une corde réalisée avec la ligne à bords creux de Dyroema SK78 de LIROS. Dyneema est le matériau de type fibre le plus solide connu de la civilisation humaine à l’heure actuelle.
JUSTSAIL/WIKIMEDIA COMMONS

À partir de ce point, nous laissons derrière nous le domaine des substances naturelles et poursuivons avec les synthétiques.

Un polymère de polyéthylène thermoplastique est inhabituel pour avoir un poids moléculaire extrêmement élevé. La plupart des molécules que nous connaissons sont des chaînes d’atomes avec quelques milliers d’unités de masse atomique (protons et/ou neutrons) au total. Mais l’UHMWPE (pour le polyéthylène à très haute masse moléculaire) possède des chaînes extrêmement longues, avec une masse moléculaire de plusieurs millions d’unités de masse atomique.

Avec de très longues chaînes pour leurs polymères, les interactions intermoléculaires sont considérablement renforcées, créant un matériau très résistant. En fait, il est si résistant qu’il possède la plus haute résistance aux chocs de tous les thermoplastiques connus. Il est considéré comme la fibre la plus solide au monde et surpasse toutes les cordes d’amarrage et de remorquage. Bien que plus léger que l’eau, il peut arrêter les balles et a une résistance 15 fois supérieure à celle d’une quantité d’acier comparable.

3. Alliage métallique amorphe ou Verre métallique (VM)

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La micrographie d’une encoche déformée dans un verre métallique à base de palladium montre un important blindage plastique d’une fissure initialement vive. L’encart est une vue agrandie d’un décalage de cisaillement (flèche) développé lors du glissement du plastique avant l’ouverture de la fissure. Les microalliages de palladium présentent la résistance et la ténacité combinées les plus élevées parmi tous les matériaux connus.
ROBERT RITCHIE ET MARIOS DEMETRIOU

Il est important de reconnaître que tous les matériaux physiques ont deux propriétés importantes : la résistance (la force qu’une substance peut supporter) et la ténacité (sa capacité à résister à la fracturation). Par exemple, la plupart des céramiques sont solides, mais peu résistantes, pouvant se briser en tombant d’une hauteur modeste. Tout comme les matériaux élastiques, par exemple le caoutchouc, peuvent contenir beaucoup d’énergie, mais sont facilement déformables et ne résistent pas du tout.

C’est ainsi que plusieurs des matériaux vitreux sont fragiles ; forts, mais pas particulièrement durs. Même le verre renforcé, comme le Pyrex ou le verre Gorilla, ne sont pas particulièrement résistants à l’échelle des matériaux.

Mais en 2011, les chercheurs ont mis au point un nouveau verre en microalliage comportant cinq éléments (phosphore, silicium, germanium, argent et palladium). Sachant que le palladium constitue un moyen de former des bandes de cisaillement, permettant au verre de se déformer plastiquement plutôt que de se fissurer. Il est plus résistant que l’acier.

2. Buckypaper ou « feuille de buckyballes »

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Le papier autoportant à base de nanotubes de carbone, également appelé papier mâché, empêchera le passage des particules de 50 nanomètres et plus. Il possède des propriétés physiques, chimiques, électriques et mécaniques uniques. Bien qu’il puisse être plié ou coupé avec des ciseaux, il est incroyablement résistant. Avec une pureté parfaite, on estime qu’il pourrait atteindre 500 fois la résistance d’un volume d’acier comparable.
Keun Su Kim et al./Wikipedia Commons

On sait depuis la fin du 20e siècle qu’il existe une forme de carbone encore plus dure que les diamants : les nanotubes de carbone. En liant ensemble le carbone en une forme hexagonale, il peut contenir une structure rigide de forme cylindrique de manière plus stable que toute autre structure connue de l’humanité. Le buckypaper est une feuille mince composée d’un assemblage de nanotubes.

Chaque nanotube n’a que 2 à 4 nanomètres de diamètre, mais chacun est incroyablement fort et résistant. Il ne pèse que 10 % du poids de l’acier, mais sa résistance est des centaines de fois supérieure. Il est ignifuge, extrêmement thermiquement conducteur, possède d’énormes propriétés de blindage électromagnétique et pourrait conduire à des applications dans les domaines de la science des matériaux, de l’électronique, de l’armée et même de la biologie.

1. Graphène

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Le graphène, dans sa configuration idéale, est un réseau d’atomes de carbone sans défaut, liés par un arrangement parfaitement hexagonal. Il peut être considéré comme un ensemble infini de molécules aromatiques.
AlexanderAlUS/Wikipedia Commons

Nous terminerons cette liste avec un réseau de carbone hexagonal d’un seul atome d’épaisseur, la feuille de graphène. Il s’agit de l’élément structurel de base des nanotubes de carbone eux-mêmes.

Par rapport à son épaisseur, c’est le matériau le plus résistant connu. C’est un extraordinaire conducteur de chaleur et d’électricité et il est transparent à la lumière à près de 100 %.

Le prix Nobel de physique 2010 a été attribué à André Geim et Konstantin Novoselov pour leurs expériences novatrices impliquant le graphène. Depuis, ses applications commerciales ne font que croître.

À ce jour, le graphène est le matériau le plus mince qu’on connaisse, et le décalage de 6 ans entre les travaux de Geim et Novoselov et leur prix Nobel est l’un des plus courts de l’histoire de la physique.

N’oublions cependant pas que la science continue d’avancer et que la quête d’une matière encore plus résistante et dure ne va probablement jamais s’arrêter. Il y a plusieurs générations, l’idée de la microélectronique, des transistors ou de la capacité de manipuler des atomes individuels était sûrement exclusive au domaine de la science-fiction. Aujourd’hui, ils sont si courants que nous les prenons tous pour acquis. Alors si l’humanité peut repousser les frontières des matériaux disponibles plus loin que jamais, les applications de ce qui devient réalisable ne pourront que se développer…