Comment la science a inventé un nouveau disque remarquable

Nathan Hurst

Comment concevoir des outils industriels capables de surpasser les appareils à pointe de diamant les plus robustes ? Facile : vous créez un nouveau matériau encore plus dur que le diamant.

Oui, c'est un « fait » souvent erroné : le diamant est le matériau le plus dur au monde. Ce titre est contesté depuis un certain temps maintenant, et un article publié ce mois-ci dans Nature propose encore un autre prétendant.

Le « nitrure de bore cubique nanotwinned ultra-dur » décrit comment des chercheurs de l'Université de Chicago, de l'Université du Nouveau-Mexique, de l'Université de Yanshan, de l'Université de Jilin et de l'Université de technologie du Hebei ont compressé une forme de particules de nitrure de bore en une version ultra-dure.

Les pépites transparentes qui en ont résulté rivalisaient – ​​et même surpassaient – ​​le diamant en termes de dureté, selon les tests effectués par les chercheurs. Avec un score Vickers de 108 GPa, il surpasse le diamant synthétique (100 GPa) et fait plus que doubler la dureté des formes commerciales de nitrure de bore cubique.

Le secret réside dans la nanostructure. Yongjun Tian et les autres chercheurs ont commencé avec des particules de nitrure de bore ressemblant à des oignons, en forme de rose feuilletée – ou, comme Tian les décrit, comme des poupées Matriochka. Lorsqu’ils les ont compressés à 1 800 Celsius et 15 GPa (environ 68 000 fois la pression d’un pneu de voiture), les cristaux se sont réorganisés et se sont formés dans une structure nanojumelée.

Dans une structure cristalline nanojumelée, les atomes voisins partagent une frontière, comme le font les appartements voisins. Et comme dans certains appartements, les jumeaux se reflètent. Généralement, pour rendre une substance plus dure, les scientifiques diminuent la taille des grains, ce qui rend plus difficile la perforation de quoi que ce soit : les petits grains équivalent à moins d’espace entre eux pour qu’un point quelconque puisse y pénétrer. Mais le processus s’est heurté à un mur : dans tout ce qui est inférieur à environ 10 nm, les défauts ou distorsions inhérents sont presque aussi importants que les grains eux-mêmes, et affaiblissent ainsi la structure.

Mais le nanotwinisme rend également les substances plus difficiles à percer et, dans le cas du nitrure de bore, maintient cette résistance caractéristique à des tailles moyennes d'environ 4 nm, explique Tian. Et en prime, le nitrure de bore cubique était également stable à haute température.

"Dans notre cBN nanojumelé, l'excellente stabilité thermique et l'inertie chimique sont maintenues avec une dureté compétitive, voire supérieure, à celle du diamant, ce qui en fait le matériau d'outil le plus recherché pour l'industrie", explique Tian.

Il prévoit qu'avec des recherches plus approfondies, le prix du produit sera comparable à celui des formes commerciales plus douces de nitrure de bore cubique actuellement disponibles. Les utilisations probables comprennent les outils d’usinage, de meulage, de perçage et de coupe, ainsi que l’instrumentation scientifique.

Bien sûr, le problème est que pour mesurer avec précision la dureté d’un matériau, les scientifiques prennent une substance encore plus dure, la façonnent en pyramide et voient quelle pression est nécessaire pour enfoncer cette pyramide dans le matériau. Cela ne fonctionne pas à moins que vous ayez quelque chose dont vous êtes sûr qu'il est plus dur, donc le nombre Vickers pour le nitrure de bore cubique de Tian n'est pas nécessairement le dernier mot sur la mesure, note la cristallographe Natalia Dubrovinskaia dans Scientific American.

Grégory Barbier

Adrienne Alors

Matt Simon

Julien Chokkattu