Les petits champs électriques peuvent jouer un rôle crucial dans la formation des diamants


Les diamants ont besoin de tension

Diamant produit sous haute pression et tension supplémentaire. Crédit photo: Yuliya Bataleva

Comme le graphite, le diamant est une forme spéciale de carbone. Sa structure cristalline cubique et ses fortes liaisons chimiques lui confèrent sa dureté unique. Depuis milliers d’années, il est demandé à la fois comme outil et comme beauté. Ce n’est que dans les années 1950 qu’il est devenu possible de produire artificiellement des diamants.

La plupart des diamants naturels se forment dans le manteau terrestre à des profondeurs d’au moins 150 kilomètres, où les températures dépassent 1500 degrés Celsius et une pression extrêmement élevée de plusieurs gigapascals – plus de 10000 fois celle d’un pneu de vélo bien gonflé. Il existe plusieurs théories quant aux mécanismes exacts responsables de leur formation. Le matériau de départ est constitué de produits fondus riches en carbonates, c’est-à-dire de composés à base de magnésium, de calcium ou de silicium qui sont riches à la fois en oxygène et en carbone.

Une nouvelle façon de créer des diamants

Étant donné que les processus électrochimiques ont lieu dans le manteau terrestre et que les fondus et les fluides présents peuvent avoir une conductivité électrique élevée, les chercheurs sous la direction de Yuri Palyanov de l’Institut VS Sobolev de géologie et de minéralogie SB de l’Académie russe des sciences de Novossibirsk ont ​​développé un modèle pour la formation de diamants. , dans lequel les champs électriques fortement localisés jouent un rôle central. Selon ce concept, l’application de moins d’un volt – une tension inférieure à celle de la plupart des batteries domestiques – fournit des électrons qui déclenchent un processus de transformation chimique. Ces électrons disponibles permettent à certains composés carbone-oxygène des carbonates de devenir CO2 grâce à une série de réactions chimiques qui conduisent finalement à du carbone pur sous forme de diamant.

Afin de tester leur théorie, l’équipe de recherche russe a développé une installation de test très développée: une capsule de platine de taille millimétrique était entourée d’un système de chauffage, qui à son tour était intégré dans un dispositif à haute pression qui était nécessaire pour générer des pressions immenses allant jusqu’à 7,5 gigapascals. De minuscules électrodes soigneusement construites ont conduit dans la capsule, qui était remplie de poudres de carbonate ou de carbonate-silicate. De nombreuses expériences ont été menées à des températures comprises entre 1300 et 1600 ° C, dont certaines ont duré jusqu’à 40 heures.

Les petits champs électriques peuvent jouer un rôle crucial dans la formation des diamants

Des pressions moins élevées, mais encore une tension supplémentaire, conduisent à la formation de graphite. Crédit photo: Yuliya Bataleva

Les diamants ne grandissent qu’avec la tension

Les expériences menées à Novossibirsk ont ​​montré, comme prévu, que de minuscules diamants poussent près de l’électrode négative pendant plusieurs heures, mais cela ne se produit que lorsqu’une faible tension est appliquée; un demi-volt suffisait. Avec un diamètre maximum de 200 micromètres, soit un cinquième de millimètre, les cristaux nouvellement créés étaient plus petits qu’un grain de sable typique. De plus, dans des expériences effectuées à des pressions plus basses, comme prévu, l’autre graphite minéral de carbone pur s’est avéré se former. Une autre preuve du nouveau mécanisme est venue lorsque le chercheur a inversé la polarité de la tension – des diamants ont ensuite poussé sur l’autre électrode comme prévu. Sans tension appliquée depuis l’extérieur de la capsule, ni graphite ni diamants ne se sont formés. D’autres minéraux associés au manteau profond de la Terre ont également été trouvés près des diamants.

«Les installations de test à Novosibirsk sont absolument impressionnantes», déclare Michael Wiedenbeck, chef du laboratoire SIMS de GFZ, qui fait partie de l’infrastructure modulaire des sciences de la Terre (MESI) à Potsdam. Il travaille avec des chercheurs russes depuis plus de dix ans. En collaboration avec l’ingénieur du laboratoire SIMS Frédéric Couffignal, il a analysé les diamants fabriqués par leurs collègues russes. Afin de déterminer si la théorie de Yuri Palyanov sur la formation des diamants est tout à fait correcte, la composition isotopique des diamants a dû être caractérisée très précisément.

Analyse de « made in Potsdam »

Les chercheurs de Potsdam ont utilisé à cette fin la spectrométrie de ionique secondaire (SIMS). L’instrument de Potsdam est un spectromètre de masse hautement spécialisé qui fournit aux géoscientifiques du monde entier des données de haute précision à partir d’échantillons extrêmement petits. «Grâce à cette , nous pouvons déterminer avec une grande précision la composition de zones minuscules sur des échantillons submillimétriques», déclare Wiedenbeck. En conséquence, moins d’un milliardième de gramme d’un diamant fabriqué en laboratoire a dû être éliminé avec un faisceau d’ions très précis. Des atomes chargés électriquement ont ensuite été injectés dans un appareil de six mètres de long, chacun séparant les milliards de particules en fonction de leur masse individuelle. Cette technologie permet la séparation des éléments chimiques et, en particulier, la différenciation de leurs variantes plus légères ou plus lourdes, appelées isotopes. «De cette manière, nous avons montré que le rapport entre les isotopes de carbone 13C et 12C se comporte exactement selon le modèle développé par nos collègues de Novossibirsk. Nous avons ainsi contribué à la dernière pièce du puzzle, pour ainsi dire, pour confirmer cette théorie», déclare Wiedenbeck . Cependant, il faut noter que ce nouveau procédé n’est pas adapté à la production de masse de gros diamants artificiels.

« Nos résultats montrent clairement que les champs électriques doivent être considérés comme un facteur supplémentaire important influençant la cristallisation des diamants. Cette observation pourrait s’avérer très importante pour comprendre les changements dans les rapports isotopiques du carbone au sein du cycle global du carbone », résume Yuri Polyanov.


Nouvelles connaissances sur la formation de diamants dans les météorites


Plus d’information:
Yuri N.Palyanov et al., Formation de diamant dans un champ électrique dans des conditions terrestres profondes, Progrès de la science (2021). DOI: 10.1126 / sciadv.abb4644

Fourni par l’Association Helmholtz des centres de recherche allemands

Citation: Les petits champs électriques peuvent jouer un rôle crucial dans la formation des diamants (2021, 21 janvier), publié le 21 janvier 2021 sur https://phys.org/news/2021-01-small-electric-fields-decisive -role.html ont été obtenus

Ce document est soumis au droit d’auteur. Sauf pour le commerce équitable à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans autorisation écrite. Le contenu est fourni à titre informatif uniquement.

Laisser un commentaire