Percée des nitrures de carbone ouvre la voie à d’importantes avancées en science des matériaux

Les progrès en informatique, dans l’énergie durable et dans les transports reposent souvent sur de nouveaux matériaux. Certaines découvertes attirent davantage l’attention que d’autres — comme l’annonce d’un éventuel supraconducteur à température ambiante à la mi-2023 — mais des matériaux plus légers, plus résistants ou moins chers peuvent ouvrir de nouvelles possibilités dans de nombreux secteurs.

Des chercheurs ont atteint un objectif poursuivi depuis plus de trente ans : fabriquer des nitrures de carbone très durs, susceptibles de rivaliser avec le diamant. Voici les résultats, les applications envisageables et les entreprises qui pourraient s’y intéresser si une production à plus grande échelle devient possible.

La Percée

L’étude intitulée « Synthèse de nitrures de carbone extrêmement peu compressibles, récupérables aux conditions ambiantes et comportant des tétraèdres CN₄ » décrit la fabrication de quatre composés carbone-azote. Trois étaient des phases jusque-là non observées, tandis que l’oP8-CN avait déjà été produit expérimentalement :

• oP8-CN
• hP126-C₃N₄
• tI14-C₃N₄
• tI24-CN₂

Les chercheurs ont utilisé des cellules à enclumes de diamant chauffées par laser, à des pressions de 72 à 134 GPa et à des températures proches de 2 500 K. Les composés ont pu être conservés après le retour à la pression et à la température ambiantes.

Les fortes liaisons covalentes et les unités structurales tétraédriques sont associées à une très faible compressibilité et à une grande dureté. Selon le composé, les auteurs ont aussi étudié des propriétés telles que :

• haute densité énergétique
• piézoélectricité
• photoluminescence​​​​.

Les nouvelles phases sont intéressantes pour leur potentiel de concurrence avec le diamant dans les matériaux durs. Leur synthèse et leur conservation aux conditions ambiantes constituent une avancée importante de la recherche à haute pression. Les résultats ne démontrent toutefois pas que tous les composés sont plus durs que le diamant.

Module de compressibilité et échelle de Mohs

Les modules de compressibilité mesurés atteignaient 419 GPa, contre environ 446 GPa pour le diamant. Cela étaye la conclusion selon laquelle les quatre nitrures de carbone sont extrêmement peu compressibles.

Le module de compressibilité et l’échelle de Mohs mesurent des propriétés différentes.

Module de compressibilité: Il décrit la résistance à une variation de volume sous une pression uniforme. Il s’exprime en pascals, par exemple en gigapascals (GPa). Une valeur plus élevée signifie une compressibilité plus faible et ne constitue pas une mesure directe de la dureté.

Échelle de Mohs: Cette échelle ordinale classe les minéraux selon leur résistance aux rayures, de 1 à 10. Les écarts entre les niveaux ne sont pas égaux. Elle mesure une propriété différente de celle décrite par le module de compressibilité.

Ces deux mesures ne sont donc pas interchangeables. La dureté s’étudie par des essais de rayure ou d’indentation, tandis que le module de compressibilité décrit la réponse à la compression.

Cas d’utilisation

L’association de propriétés mécaniques et d’autres caractéristiques ouvre plusieurs pistes de recherche. Toutes les phases ne possèdent pas toutes les propriétés citées. Les applications suivantes sont des possibilités, pas des produits commerciaux démontrés par cette étude.

Illustration d’applications possibles des nitrures de carbone superdurs.

Applications industrielles: La grande dureté pourrait intéresser les outils de coupe, les abrasifs et les équipements de forage. Des recherches supplémentaires doivent évaluer les gains de performance et de durée de vie.

Électronique et optoélectronique: Les propriétés piézoélectriques et optiques étudiées pourraient ouvrir des possibilités pour des capteurs, des transducteurs, des photodétecteurs et d’autres composants optoélectroniques.

Stockage d’énergie: La forte densité énergétique calculée correspond à l’énergie libérée lors de la décomposition en graphite et en azote moléculaire. Ces composés peuvent donc intéresser la recherche sur les matériaux énergétiques, sans que cela démontre de meilleures électrodes pour batteries ou supercondensateurs.

Aérospatiale et défense: Des revêtements protecteurs durs et des outils résistants à l’usure pourraient intéresser l’aérospatiale et la défense. Leur adéquation nécessite notamment des études de stabilité, de rupture et de fonctionnement en conditions réelles.

Technologie médicale: Des revêtements pour prothèses ou implants constituent une éventuelle piste de recherche. L’étude ne démontre pas la biocompatibilité des nouvelles phases ; une utilisation médicale exigerait des essais spécifiques de sécurité et de matériaux.

Les propriétés sont prometteuses, mais les procédés pratiques de fabrication à l’échelle industrielle restent à développer. Des recherches supplémentaires sont donc nécessaires.

Entreprises spécialisées dans les matériaux avancés

Les activités de ces entreprises pourraient être pertinentes pour de tels matériaux. Leur présence dans cette liste ne signifie pas qu’elles ont un projet confirmé ou un partenariat avec les chercheurs.

*Les chiffres financiers suivants sont des instantanés de la publication initiale de 2023, pas des cours ou des prévisions actuels. Les applications envisagées pour ces entreprises restent exploratoires.*

1. 3M Company

MMM Graphique du prix

3M Company (MMM ) développe des matériaux pour de nombreux marchés scientifiques et industriels, notamment la santé, les biens de consommation et l’électronique. Les nitrures de carbone superdurs pourraient intéresser les abrasifs et les outils de coupe. Leurs propriétés piézoélectriques et optiques pourraient aussi motiver des recherches sur les composants électroniques et les systèmes optiques. Ces possibilités correspondent aux activités décrites de l’entreprise, mais l’étude ne démontre ni application concrète ni collaboration avec 3M.

2. General Electric

GE Graphique du prix

General Electric (GE.TO ) (GE) regroupait en 2023 des activités aéronautiques, de production électrique et d’énergies renouvelables. Les matériaux avancés pouvaient donc intéresser plusieurs divisions du groupe. L’utilisation de ces nitrures de carbone précis est ici une possibilité future et non un projet d’entreprise confirmé.

3. RTX, anciennement Raytheon Technologies

RTX Graphique du prix

RTX, anciennement Raytheon Technologies, développe des systèmes aéronautiques et de défense. Des nitrures de carbone très durs pourraient intéresser les revêtements protecteurs ou les outils résistants à l’usure. Leur aptitude à constituer des structures légères et résistantes dépend aussi d’autres propriétés que la dureté. L’étude ne confirme aucun programme de développement de ces composés chez RTX.

Réflexions finales

Depuis les travaux théoriques de 1989, les chercheurs tentent de fabriquer des nitrures de carbone d’une dureté exceptionnelle. La synthèse de nouvelles phases conservables aux conditions ambiantes représente une étape importante. Il reste à étudier leur fabrication reproductible à plus grande échelle et la faisabilité des applications commerciales.