Carbones diamants : du macro au nano

Le carbone de structure diamant est un matériau présentant des propriétés exceptionnelles. Partant de l’échelle macroscopique et allant jusqu’à l’échelle nanoscopique, nous avons présenté les différents diamants synthétiques, leurs modes de synthèse et leurs propriétés. Les diamants naturels sont formés dans le craton sous des pressions et températures élevées (P = 43 000 atmosphères, T = 1 000-1 500 °C) et datent, pour la plupart, de l’âge archéen (–2,5 milliards d’années). La grande majorité des diamants ont cristallisé entre 150 et 250 km de profondeur et ce sont les éruptions volcaniques kimberlitiques qui les ont amenés vers la surface terrestre. C’est une pierre précieuse en carbone exploitée depuis 6 000 ans en Inde puis au Brésil et en Afrique. Au cours du XX^esiècle, le développement et l’usage des diamants à l’échelle industrielle ont été rendus possibles via l’obtention de diamants synthétiques obtenus par des procédés à hautes pressions et hautes températures. Ces diamants, obtenus par synthèse à l’échelle macroscopique (tailles micronique ou millimétrique) ont des propriétés mécaniques, thermiques, acoustiques et optiques exceptionnelles, en particulier leur très grande dureté et leur très faible coefficient de frottement, qui permettent leur utilisation dans les forets de percement dans l’industrie pétrolière du gaz, les outils de coupe, de broyage, de polissage, dans les microsystèmes électromécaniques ainsi que dans les scalpels chirurgicaux pour la chirurgie ophtalmique et neurologique. Sa bonne conductivité thermique permet au diamant synthétique d’apporter une contribution précieuse dans tous les types d’applications électroniques et électriques où l’accumulation de chaleur peut détruire des circuits délicats ou altérer gravement les performances. Ses propriétés acoustiques font du diamant un élément essentiel dans les haut-parleurs à haute performance. Ce matériau possède la bande spectrale la plus large : elle va de l’ultraviolet à l’infrarouge lointain et des micro-ondes aux ondes millimétriques. De ce fait, il est souvent employé pour la production de fenêtres optiques et d’optique laser. Le diamant est aussi utilisé pour le traitement électrochimique industriel et domestique de l’eau. En particulier les anodes en diamant synthétique permettent d’obtenir de l’ozone sur une échelle adaptée aux habitations.

Pouvoir générer des diamants de taille nanométrique ouvre des perspectives nouvelles et intéressantes. Les particules nanométriques de diamant ont été produites pour la première fois par détonation en URSS dans les années 1960, mais elles sont restées essentiellement inconnues du reste du monde jusqu’à la fin des années 1980. À partir de la fin des années 1990, un certain nombre de percées importantes ont conduit à un intérêt accru pour ces nanoparticules, qui sont maintenant connues sous le nom de nanodiamants. De nombreuses voies de synthèse de nanodiamants sont aujourd’hui accessibles. Les plus utilisées sont la technique par explosion, par ablation laser, par broyage de poudres de diamant micrométriques fabriquées par synthèse haute pression et haute température statique dans des presses hydrauliques, le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma, la synthèse en autoclave à partir de fluides supercritiques, la chloration des carbures, l’irradiation ionique du graphite, l’irradiation électronique des oignons de carbone et la cavitation ultrasonique. Via certains de ces procédés, des suspensions colloïdales de particules de diamant individuelles – avec des diamètres de 4-5 nm – sont devenues disponibles, ce qui permet une mise en forme aisée de ces nanomatériaux. De nouvelles techniques de purification respectueuses de l’environnement ont été développées. Elles permettent de produire à faible coût de grands volumes de poudres de nanodiamants de haute pureté avec une chimie de surface contrôlée. Enfin, le nanodiamant s’est avéré moins toxique que d’autres nanoparticules de carbone et présente des propriétés de photoluminescence uniques associées à des défauts cristallographiques dans le réseau cristallographique de structure diamant. Par conséquent, les nanodiamants sont actuellement considérés pour des applications dans les domaines de la médecine.

Les nanodiamants ont d’excellentes propriétés mécaniques et optiques, des surfaces élevées et facilement fonctionnalisables. Nous avons passé en revue la synthèse, la structure, les propriétés, la chimie de surface et les transformations de phase des nanodiamants. En particulier, nous avons discuté du contrôle rationnel des propriétés mécaniques, chimiques, électroniques et optiques des nanodiamants à travers le dopage dans la masse ou en surface, ou l’introduction de groupes fonctionnels. Ces nanodiamants ont un large éventail d’applications potentielles dans la tribologie (polissage ultime), le traitement quantique de l’information, la catalyse hétérogène, l’électrocatalyse, les capteurs magnétiques, la délivrance de principes actifs, la bio-imagerie ainsi que dans la séparation et purification de protéines. En particulier, des progrès récents dans l’administration de médicaments à base de nanodiamants dans les secteurs orthopédique, dentaire et ophtalmique soulignent leur applicabilité thérapeutique. Sous la forme de nanocomposites avec des polymères, ces matériaux offrent également des perspectives intéressantes en ingénierie tissulaire. Cette vaste gamme d’applications potentielles pour les nanodiamants continue à stimuler la recherche dans ce domaine. Une meilleure compréhension de leur structure et de leur chimie de surface doit conduire à un meilleur contrôle de leurs propriétés, et contribuera également à augmenter les volumes de fabrication, éventuellement à des niveaux qui surpasseront ceux des fullerènes et autres nanomatériaux carbonés.