Les nanodiamants sont de minuscules particules de diamant qui mesurent généralement quelques millionièmes de millimètre. Extrêmement durs, stables et résistants à la chaleur, ils se prêtent parfaitement à de nombreuses applications en médecine, dans les nouveaux matériaux, la catalyse et les technologies de l’énergie.
En comprimant du plastique à l’aide de lasers, des chercheurs du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) et de l’Université de Rostock parviennent désormais à produire de manière systématique des diamants ultra-petits, de haute pureté et à distribution de taille étroite. C’est impossible à obtenir avec les méthodes conventionnelles telles que les explosions. En tant que technologie extensible, la compression laser offre un potentiel considérable pour une production améliorée, propre et durable de nanodiamants ultra-petits.
Lorsque les chercheurs ont créé pour la première fois des nanodiamants par compression laser, c’est la physique planétaire qui était au cœur de leurs travaux. Ils dirigeaient des lasers de haute puissance sur des plastiques, chauffant et comprimant le matériau pour simuler les conditions extrêmes régnant à l’intérieur de planètes comme Neptune ou Uranus, où les températures atteignent plusieurs milliers de degrés Celsius sous des pressions des millions de fois supérieures à celle de l’atmosphère terrestre – des conditions idéales pour transformer le carbone en diamants.
De la physique planétaire aux applications pratiques
« Nous nous attendions effectivement à ce que des nanodiamants se forment dans ces conditions. Ce qui nous a surpris, en revanche, c’est la rapidité du phénomène, ce qui a immédiatement suscité l’idée d’une application technique potentielle. », explique Dominik Kraus, directeur fondateur du nouveau HEDI – Institut de physique des hautes densités d’énergie du HZDR et professeur à l’Université de Rostock. À l’époque, toutefois, les scientifiques ne pouvaient démontrer que brièvement la formation de diamants dans ces conditions extrêmes. La question de savoir s’ils pouvaient survivre à un retour aux conditions normales de pression et de température est aujourd’hui tranchée avec succès.
Les expériences se sont déroulées sur les lignes de faisceaux de l’Extreme Light Infrastructure (ELI), au sud de Prague, une installation laser unique associant haute cadence de répétition et très hautes énergies. Trois fois par minute, le laser de haute puissance de la station L4n-P3 envoie des impulsions lumineuses sur un film PET de 100 micromètres d’épaisseur, balayé par le faisceau. Les nanodiamants se forment à l’intérieur de l’onde de choc, puis sont éjectés du film tels des projectiles et recueillis dans un cylindre contenant une substance réceptrice.
Fabriqués par choc laser
Kraus décrit le défi ainsi : « Lorsque l’onde de compression atteint l’extrémité de l’échantillon, elle pénètre brutalement dans le vide, accélérant les nanodiamants à des vitesses supérieures à dix kilomètres par seconde – comparable à un impact de météorite. Pour éviter que les diamants ne soient immédiatement détruits en percutant le cylindre de collecte, nous devons utiliser un milieu de collecte très souple », pour lequel les chercheurs ont choisi un gel ionique compatible avec le vide et soluble dans l’eau.
Chaque tir propulse environ dix mille milliards de diamants de taille nanométrique, presque tous identiques, dans le cylindre – ce qui semble énorme mais ne produit qu’une masse infime. Avec un diamètre moyen de trois milliardièmes de mètre, un nanodiamant isolé est constitué d’environ 3 000 atomes de carbone. Il a fallu une centaine de tirs pour obtenir quelques centaines de microgrammes de matière : suffisamment pour détecter et caractériser les diamants au microscope électronique ELMI-MV du département Life, Light, & Matter de l’Université de Rostock. « Après avoir extrait les nanodiamants du matériau récepteur et les avoir purifiés, nous avons pu les observer pour la première fois directement à l’ELMI-MV. Ce fut un moment fort, vers lequel nous travaillions depuis des années. Avec cet instrument, nous pouvons même distinguer les atomes individuels », raconte Ben Heuser, du HZDR, auteur principal de l’étude, qui a mené les expériences dans le cadre de sa thèse de doctorat à l’Université de Rostock.
Un procédé optimisé pour la recherche et l’industrie
La recherche sur la fusion stimule le développement de lasers à haute énergie et à haut rendement énergétique fonctionnant à des cadences de répétition élevées. Le procédé de production de nanodiamants pourrait ainsi devenir véritablement extensible : plus on génère d’impulsions à haute énergie en un temps court, meilleur est le rendement. Lors d’expériences complémentaires menées dans leurs propres laboratoires à l’Université de Rostock et dans de grandes installations de recherche, les chercheurs visent à augmenter le volume de production afin d’atteindre l’ordre du milligramme, une quantité comparable à celle des procédés de production conventionnels.
L’avantage majeur de la compression laser réside dans sa capacité à produire des nanodiamants plus petits, plus purs et contrôlés avec plus de précision, déjà utilisés aujourd’hui comme agents de meulage et de polissage. À l’avenir, ils devraient servir de capteurs quantiques ultra-sensibles, d’agents de contraste médicaux et d’accélérateurs de réaction efficaces. Par exemple, les petits diamants offrent divers atouts dans des procédés tels que la décomposition du CO₂ à la lumière du soleil, car leur surface cumulée plus étendue permet une catalyse plus efficace. Fabriqués à partir de plastique, ils peuvent être aisément dopés avec des atomes étrangers et donc adaptés à diverses finalités. Cela pourrait, par exemple, améliorer les agents de contraste utilisés pour les examens IRM médicaux.
Au-delà des nanodiamants, les scientifiques veulent utiliser ce procédé pour créer un matériau exotique : le BC8, une forme de carbone dont l’existence n’avait jusqu’ici été prédite que théoriquement. Plus dense que le diamant, tout aussi dur mais moins fragile, le BC8 ne peut pas se former naturellement sur Terre, les conditions nécessaires y faisant défaut. À l’aide de lasers de haute puissance et de pressions encore plus élevées, les chercheurs visent désormais à produire ce matériau directement à partir de plastique, selon un procédé similaire à celui des nanodiamants. Une première expérience est prévue en novembre.
Publication :
B. Heuser, P. Böhringer, K. Oldenburg, F.P. Condamine, G. Fauvel, M.-L. Herbert, J. Kuhkle, T. Laštovička, P. Luckmann, J. Lütgert, P.T. May, D. Ranjan, S. Schumacher, R. L. Singh, M. Stevenson, S. Weber, D. Kraus, Recovery of ultrasmall nanodiamonds from plastics shock-compressed to pressures around 100 GPa, in Diamond and Related Materials (2026) (DOI : 10.1016/j.diamond.2026.114091)
Article : Recovery of ultrasmall nanodiamonds from plastics shock-compressed to pressures around 100 GPa – Journal : Diamond and Related Materials – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
