Quelles sont les variétés allotropiques de carbone ?

Brèves caractéristiques du carbone

Le carbone (C) est un élément classé comme non-métal de numéro atomique 6. Cela signifie qu’il a six protons dans le noyau et le même nombre d’électrons sous forme non ionisée. Bien qu’il soit relativement rare dans la croûte terrestre, il forme plus de composés que tout autre élément . C’est un élément clé de tous les organismes vivants; il construit la structure des protéines, des glucides et des graisses. Il est présent dans l’atmosphère sous forme de dioxyde de carbone (CO ₂ ), qui est l’une des phases du cycle du carbone dans la nature.

Quelles sont les variétés de carbone allotropique ?

La structure composée d’atomes de carbone peut prendre de nombreuses formes physiques. Ce phénomène est appelé variétés de carbone allotropiques . L’allotropie est un phénomène qui affecte un grand nombre de métaux et de non-métaux. Cela se produit lorsque différentes variétés d’un élément donné sont présentes dans le même état physique et qu’elles ont des propriétés chimiques et physiques différentes . Ils peuvent avoir une structure cristalline ou moléculaire et différer par le nombre d’atomes dans la molécule. Les variétés de carbone allotropique les plus connues dans la nature sont le graphite et le diamant , extrêmement différents en termes de couleur, de structure et de douceur. De plus, les scientifiques ont réussi à créer des dizaines d’autres variétés dans des conditions de laboratoire.

Le graphite – un minéral polyvalent

Ce n’est pas un hasard si le graphite habituellement associé à un crayon est un minéral tendre, gris-noir , gras et sale au toucher. C’est aussi un excellent conducteur d’électricité et de chaleur, il est insoluble dans l’eau et possède des propriétés lubrifiantes. Il se présente sous deux types de structures : hexagonale et trigonale, et ses atomes sont reliés entre eux dans un réseau de plans parallèles. Tout comme les autres allotropes de carbone , le graphite résiste aux hautes températures. Il est utilisé pour la production d’électrodes et de creusets, de récipients ignifuges et de briques réfractaires. De plus, il est utilisé dans la production de lubrifiants, de peintures anticorrosives et d’agents de polissage. Le graphite est présent dans la nature dans les roches métamorphiques telles que le schiste graphiteux et le schiste cristallin. De nos jours, son plus grand producteur est la Chine. A des fins commerciales, le graphite est obtenu par pyrolyse de l’anthracite sous atmosphère d’azote.

Diamant – la pierre précieuse la plus précieuse

Il est difficile de trouver deux allotropes de carbone plus différents que le diamant et le graphite. Le diamant est le minéral le plus dur au monde, classé 10 sur l’échelle de Mohs à 10 points. Il se présente sous forme de cristaux octaédriques ou hexaédriques à haute brillance et transparence partielle. Les diamants les plus précieux sont incolores , mais en raison de la contamination, ils peuvent également virer au jaune, au rose, au bleu ou au brun. Ils ne conduisent pas l’électricité mais sont de bons conducteurs de chaleur. Bien que leur surface ne puisse être rayée que par un autre diamant, elles sont relativement fragiles. Les diamants naturels se trouvent principalement dans des gisements primaires de kimberlite et de miettes formés par translocation. Les pierres de la plus haute qualité sont principalement utilisées en joaillerie. Après un polissage approprié, ils sont appelés diamants et atteignent des prix vertigineux sur le marché international. Les diamants de moindre qualité et les cristaux synthétiques sont également une importante matière première industrielle . En raison de leur dureté, ils sont utilisés dans la production de lames, de forets et d’abrasifs. Les diamants sont également utilisés pour produire des éléments d’équipements médicaux et scientifiques, des testeurs de dureté et des pâtes thermoconductrices.

Les fullerènes, c’est-à-dire les allotropes du noir de carbone

Dans la nature, les fullerènes peuvent également être trouvés en plus petites quantités. Ce sont des solides translucides bruns ou noirs avec un éclat métallique. Leurs molécules sont constituées de plus grandes quantités d’atomes de carbone – de 28 à même 1 500. Ces variétés de carbone allotropiques découvertes relativement récemment consistent en de nombreuses structures différentes. Les particules sphériques de C60 formant des cristaux, également appelées « buckyball », sont considérées comme les plus durables. De plus, les fullerènes peuvent également prendre une forme multicouche (les soi-disant nanobulles ) ou cylindrique (les soi-disant nanotubes ). Les fullerènes ont une faible activité chimique et sont insolubles dans l’eau. Ils ont des propriétés semi-conductrices et supraconductrices. En conséquence, ils sont largement utilisés dans les industries de l’électronique, de l’optique, du biomédical et des nanotechnologies. Leur potentiel antioxydant et pharmacologique mérite une attention particulière. En raison de leur structure et de leur biocompatibilité, ils peuvent agir comme vecteurs de médicaments. Les fullerènes sont principalement obtenus à partir de noir de carbone. À cette fin, un certain nombre de solvants sont utilisés qui permettent la séparation de types spécifiques de molécules. Alternativement, ils peuvent être obtenus à partir d’un autre allotrope de carbone – le graphite bombardé avec un faisceau laser dans le vide.

Graphène – carbone bidimensionnel

L’un des derniers allotropes de carbone découverts est le graphène . C’est une structure plate composée d’atomes de carbone simples disposés en forme de nids d’abeilles. Comme il a une épaisseur d’un atome, il est classiquement considéré comme un matériau bidimensionnel. Le graphène est un excellent conducteur de chaleur et d’électricité. Ses plus grands avantages incluent également la transparence et une vitesse de flux d’électrons extrêmement élevée – encore plus élevée que dans le silicium. De plus, le graphène est extrêmement dur et résistant à l’étirement. Ces propriétés signifient que le graphène peut remplacer le silicium dans l’ industrie électronique . Ses applications actuelles et futures incluent la production de transistors à grande vitesse, d’écrans tactiles enroulables et de modules photovoltaïques avec batteries pour le stockage d’énergie. Comme d’autres allotropes de carbone, le graphène peut être utilisé comme support pour des médicaments, comme matière première pour l’ingénierie tissulaire et même comme agent en thérapie oncologique. Le graphène peut être obtenu de différentes manières. De nos jours, les plus largement utilisés sont le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et la décomposition thermique du carbure de silicium. La méthode originale de détachement de la couche d’atomes de carbone à l’aide de ruban adhésif est également parfois utilisée à des fins de laboratoire.

Cyclocarbone

Une variété de carbone allotropique encore plus récente que le graphène est appelée cyclocarbone . Il forme un cycle composé de 18 atomes de carbone. Il existe une alternance de liaisons simples et triples entre elles. Comme le graphène, le cyclocarbone n’a qu’un seul atome d’épaisseur. Cependant, les premières estimations montrent qu’il s’agit d’un semi-conducteur. Ses autres propriétés restent inconnues. Selon les scientifiques, il sera possible de créer des cyclocarbones avec différents nombres d’atomes dans le cycle. Leurs utilisations potentielles incluent la miniaturisation des appareils électroniques .

Autres variétés de carbone allotropique

Le carbone, malgré sa banalité, reste l’un des éléments les plus fascinants. Des recherches sont encore menées pour mieux utiliser ses propriétés. Les variétés allotropiques de carbone semblent particulièrement prometteuses à cet égard. Un polymère intéressant, restant jusqu’ici dans le domaine des considérations hypothétiques, est la carbyne . Ce nom fait référence à une chaîne composée d’atomes de carbone avec une résistance potentielle 40 fois supérieure à celle d’un diamant. Cependant, ce matériau est tellement instable que jusqu’à présent, il n’a été produit qu’à l’intérieur du nanotube. Une autre variété allotropique prometteuse de carbone est le soi-disant Q-carbone . Il a une structure tridimensionnelle dans laquelle les atomes de carbone forment trois ligands. Ses applications probables incluent l’amélioration du stockage d’énergie dans les batteries au lithium. Par ailleurs, on connaît également la nano-mousse de carbone, une structure cristalline poreuse aux propriétés magnétiques. Le noir de carbone est également une variété allotropique amorphe spécifique de carbone. L’avenir montrera comment ces structures de carbone uniques et d’autres seront utilisées. L’élément est abondant dans le monde, de sorte que le développement de la technologie ne devrait pas menacer la stabilité des ressources ou l’environnement naturel. En effet, il y a de fortes chances que les variétés allotropiques de carbone permettent de mieux gérer l’énergie et d’améliorer de nombreux procédés industriels.