Les nanodiamants ont des propriétés physico-chimiques spécifiques qui possèdent de nombreuses applications potentielles telles que la synthèse de matériaux bio-compatibles innovants, de vecteurs de transport ciblés pour les médicaments, ou de capteurs de spin magnétique.
La compréhension et la maitrise des voies de synthèse de ces particules présentent donc un intérêt tout particulier. Celles-ci ne peuvent être obtenues qu’en soumettant un matériau fortement carboné à des conditions explosives dans lesquelles pression et température sont très élevées pendant des temps de l’ordre de quelques nanosecondes (milliardièmes de secondes). Le procédé industriel le plus courant pour la synthèse de nanodiamants est la détonation d'explosifs eux-mêmes composés de matériaux organiques riches en carbone (comme les mélanges à base de TNT par exemple).
Ces processus sont connus depuis plus de 50 ans et, depuis une vingtaine d’années, les chercheurs essaient de comprendre leurs mécanismes et l’industrie d’optimiser les procédés de production. Toutefois, les conditions extrêmes nécessaires étant difficiles à maîtriser, à reproduire et à modéliser, les approches sont encore essentiellement empiriques.
Une équipe du CEA (Centre de recherche DAM Île-de-France, Bruyères-le-Châtel) a développé un protocole de simulation basé sur une molécule modèle simple, le suboxyde de carbone C3O2, permettant de comprendre les conditions de température et de pression qui favorisent la nucléation de ces nanodiamants. Le résultat de leur étude est publié dans The Journal of Chemical Physics (21 septembre 2018).
Leur modèle permet d’établir différents scenarii permettant d’aboutir, ou pas, à ces nanoparticules d’un grand intérêt académique et appliqué :
- Lorsque la pression est trop faible, les phases solides formées, riches en carbone mais insuffisamment denses, ne permettent pas la formation de nanodiamants.
- Lorsque la pression est trop élevée, la phase solide est suffisamment dense mais polluée par les hétéroatomes de la molécule initiale, tels que l'oxygène ou l'azote, ce qui empêche la transition vers le diamant.
- Une voie de synthèse efficace semble donc être une pression initiale élevée suivie d’une forte diminution de pression, ce qui permet la formation de structures denses s’appauvrissant progressivement en hétéroatomes. Alors les conditions appropriées (densité, fractions purement carbonées) sont remplies et les nanodiamants se forment plutôt spontanément. Ces chemins de pression complexes sont typiques des processus de détonation.
Ces travaux visent à comprendre comment mieux contrôler et affiner la formation de nanodiamants, améliorant ainsi notre capacité à manipuler leurs diverses propriétés. Ils devront être suivis d’une mise en œuvre expérimentale dans les conditions indiquées par le modèle.