Découverte de nouvelles formes de carbone qui pourraient rivaliser avec la dureté des diamants

Des scientifiques américains ont identifié 43 formes de carbone jusqu’ici inconnues et considérées comme stables et très dures, dont plusieurs susceptibles de rivaliser avec le diamant en termes de dureté. Chaque nouvelle forme de carbone se compose d’atomes de carbone disposés selon un motif distinct au sein d’un réseau cristallin.

Plus dur que le diamant

Les matériaux superdurs peuvent découper, percer et polir d’autres objets, et permettent également de créer des revêtements résistants aux rayures, qui pourraient aider à protéger les équipements coûteux. Publiée dans la revue Computational Materials, cette nouvelle étude combinant les prédictions informatiques des structures cristallines avec le deep learning afin d’identifier de nouveaux matériaux constitue un travail de recherche théorique : les scientifiques ont prédit ces nouvelles structures du carbone, mais ne les ont pas encore créées.

« Le diamant représente actuellement le matériau le plus dur disponible sur le marché, mais il est très coûteux », explique Eva Zurek, professeure de chimie à l’université de Buffalo. « Beaucoup de mes collègues réalisant des expériences à haute pression en laboratoire se plaignent régulièrement du coût élevé du remplacement des diamants lorsque ces derniers cassent. Nous aimerions donc trouver des matériaux plus résistants que le diamant et si possible moins onéreux. Ceux-ci pourraient également posséder des propriétés utiles que les diamants n’ont pas. »

Les scientifiques considèrent un matériau comme « superdur » lorsque sa valeur de dureté, dans le cadre du protocole d’essai Vickers, est de plus de 40 gigapascals. Les 43 nouvelles structures de carbone de l’étude devraient toutes atteindre ce seuil, et les chercheurs estiment que trois d’entre elles pourraient même dépasser la dureté Vickers des diamants.

Le deep learning a considérablement accéléré le processus de recherche

Les structures les plus dures trouvées par les scientifiques avaient tendance à contenir des fragments de diamant et de lonsdaléite – aussi appelés diamants hexagonaux – au sein de leurs réseaux cristallins. En plus des 43 nouvelles formes de carbone, la recherche prévoit également que plusieurs structures de carbone décrites préalablement par d’autres équipes de scientifiques présentent des propriétés similaires.

« Jusqu’à présent, très peu de matériaux superdurs ont été découverts, il est donc intéressant d’en trouver de nouveaux », explique Zurek. « Ces matériaux doivent posséder des liens solides, et les liens carbone-carbone sont très forts. »

Pour les besoins de l’étude, les chercheurs ont utilisé XtalOpt, un algorithme évolutif open-source afin de générer des structures cristallines aléatoires pour le carbone. L’équipe a ensuite utilisé un modèle d’apprentissage automatique pour prédire la dureté de ces formes de carbone. Le modèle de deep learning employé pour l’estimation de la dureté a été formé à l’aide de la base de données Automatic FLOW (AFLOW), une énorme bibliothèque de matériaux (dont les propriétés ont été calculées précédemment) régulièrement alimentée par les chercheurs.

« Il s’agit d’un développement matériel accéléré. Cela prendra toujours du temps, mais nous utilisons AFLOW et le deep learning pour accélérer considérablement le processus », estime Stefano Curtarolo, professeur de génie mécanique et de science des matériaux à l’université Duke. « Les algorithmes apprennent, et si vous avez bien formé le modèle, l’algorithme prédira les propriétés d’un matériau – dans ce cas, la dureté – avec une précision raisonnable », conclut le chercheur.