Nitrure de carbone, un prétendant au trône de la dureté

Des scientifiques ont créé un matériau révolutionnaire à partir de nitrures de carbone, qui pourrait surpasser le diamant traditionnel.

Composé de carbone cristallin, le diamant est donc connu pour être le matériau le plus dur au monde. Mais il semblerait que ce minéral puisse être détrôné. Car des scientifiques auraient réussi à produire un matériau pratiquement impossible à rompre, en travaillant sur le nitrure de carbone, un composé chimique constitué d’atomes de carbone et d’azote plus résistant encore que le nitrure de bore cubique (c-BN), dont la structure est semblable à celle du diamant, avec des atomes de bore et d’azote disposés de manière ordonnée dans un réseau cristallin cubique.

Dès les années 1980, des chercheurs ont tenté d’exploiter le potentiel des nitrures de carbone, notamment pour leurs propriétés exceptionnelles de résistance à la chaleur, mais ils ne sont pas parvenus à les synthétiser. « Pour y parvenir, les experts ont soumis différentes formes de précurseurs d’azote carboné à des pressions de 70 à 135 gigapascals, l’équivalent d’un million de fois notre pression atmosphérique. Et ils les ont chauffés simultanément à plus de 1 500 °C », rapporte le magazine Geo.

Accélérateur de particules

Sur son site Internet, l’Université d’Edimbourg, en Ecosse, dont une partie des chercheurs sont issus, explique le processus qui a permis de faire cette découverte. « Pour identifier la disposition atomique des composés dans ces conditions, les échantillons ont été éclairés par un faisceau de rayons X intense dans trois accélérateurs de particules : le Centre européen de recherche sur le synchrotron en France, le Deutsches Elektronen-Synchrotron en Allemagne et l’Advanced Photon Source, basée aux États Unis. »

Une étude publiée dans la revue Advanced Materials, le 11 octobre 2023, relève que « la récupération de matériaux complexes synthétisés au-dessus de 100 GPa [gigapascal] est un cas unique – à notre connaissance, aucun cas similaire n’a jamais été rapporté – et ouvre de nouvelles perspectives pour la science des matériaux à haute pression en général. Les nitrures de carbone synthétisés devraient présenter de multiples fonctionnalités exceptionnelles en plus de leurs propriétés mécaniques, avec le potentiel de devenir des matériaux d’ingénierie dans la même catégorie que les diamants ».

« Des matériaux dont les chercheurs rêvaient depuis trois décennies »

Les chercheurs ont témoigné leur surprise lors de cette découverte : « Nous étions incrédules d’avoir produit les matériaux dont [ils] rêvaient depuis trois décennies. Ces matériaux constituent une forte incitation à combler le fossé entre la synthèse de matériaux haute pression et les applications industrielles », souligne le Dr Dominique Laniel, de l’Institut de physique de la matière condensée et des systèmes complexes, de l’école de physique et d’astronomie à l’Université d’Édimbourg.

Selon la revue scientifique Advanced Materials, ces travaux de recherche permettront de donner « l’impulsion nécessaire pour explorer davantage la riche chimie du système carbone-azote » et d’« établir fermement les propriétés mécaniques et électroniques exceptionnelles de ces matériaux ». Sur le site Internet Dailygeekshow, on souligne que les trois composés synthétisés se sont également révélés photoluminescents, piézoélectriques (les matériaux produisent de l’électricité lorsqu’ils sont soumis à des force mécaniques) et à haute densité énergétique.

Remplacer le carbure de tungstène

Christian Prat, un spécialiste de l’usinage de pièces mécaniques, a commenté cette découverte sur son compte LinkedIn. Il évoque alors que l’ultra-dureté de ce matériau de laboratoire « pourrait révolutionner des secteurs comme l’aérospatiale, la défense et la fabrication, améliorant significativement l’efficacité et la durabilité des outils de coupe et des équipements de forage ». Et de commenter que « ces avancées suggèrent que les diamants de nitrure de carbone pourraient bien remplacer les matériaux traditionnels comme le carbure de tungstène », que l’on retrouve dans beaucoup d’outils coupants. A suivre.