Tout d'abord, je vais présenter cette substance qu'est le carbone. Il appartient à la famille qui porte le même nom. Cette famille contient le carbone, le silicium, le germanium, l'étain et le plomb. Son symbole est un grand "C". Il représente 0,8 pour cent en masse de la croûte terrestre et des océans. Sa masse atomique est de 12 u et il est le sixième élément dans le tableau périodique.(8)
Dans la nature, on trouve aussi le carbone 13 et le carbone 14, au noyau plus peuplé. Le carbone 14 est l'élément instable de la famille à cause de ses deux neutrons supplémentaires. Il contient autant de protons et d'électrons que le carbone standard. Il peut même remplacer le carbone standard.
"Mais après un certain temps, il craque et la supercherie est découverte. Un des neutrons dans le noyau se transforme en proton et reste dans le noyau alors qu'un électron est éjecté. À la fin, on peut donc trouver un atome d'azote 14 (7 protons et 7 neutrons) qui est tout à fait stable". Ceci signifie qu'un des électrons dans le noyau est éjecté lors du chamboulement à l'intérieur du noyau. On peut le connaître aussi sous un autre nom: "radioactivité 13 (bêta)". Cette transformation miracle est appelée désintégration. En moyenne, un petit bout de matière contenant 10 000 atomes de carbone 14 au départ n'en contient plus que 5 000 au bout de 5 700 ans. Cette durée fort longue, c'est la période du carbone 14, sa demi-vie.
En science, il existe quelques méthodes qui servent à modifier le carbone. La première méthode est utilisée pour transformer le carbone en gaz carbonique (C02). La deuxième méthode sert à le changer en benzène (C6H6). On peut aussi le trouver sous des formes cristallines solides : graphite, fibre de carbone, diamant et "buckyball" (ou carbone 60). Dans les paragraphes suivants, je vais vous les présenter.(6)
La fibre de carbone est formée par des polymères organiques comme par exemple le "poly(acrylonitrile)". Le "poly(acrylonitrile)" est un polymère relié par des chaînes de carbone. Pour fabriquer une fibre de carbone, le polymère s'allonge pour former des alignements parallèles qui finalement seront des axes de fibre. Ensuite, un traitement d'oxydation dans l'air entre 200 et 300 degrés Celsius la transforme en fibre non métallique. On la chauffe par la suite à l'aide de l'azote. Une fois que la température est augmentée, les produits volatils sont dégagés jusqu'à ce qu'ils contiennent au moins 92 pour cent de carbone. La température utilisée varie entre 1000 et 2500 degrés Celsius selon les propriétés désirées dans la fibre de carbone. (Figure 1.1). Chacune des fibres de carbone obtenue est très mince. Elle a un diamètre de 6 à 10 micromètres ou 5 fois plus mince qu'un cheveu.
Pendant le procédé de traitement, si la température est plus grande que 2500 degrés Celsius, la fibre de carbone va former le graphite du carbone. On peut le trouver aussi dans la nature sous la forme d'écaille mélangé avec de l'argile et des impuretés. Alors que le graphite est extrait ou formé par la fibre de carbone, la plupart du graphite dans l'industrie est fabriqué par des sous-produits du pétrole qui sont chauffés dans un environnement de 2800 degrés Celsius. Les sous-produits du pétrole ressemblent aux polymères utilisés dans le procédé de fibres de carbone qui, elles aussi, contiennent des chaînes d'atomes de carbone.
Le graphite et la fibre de carbone sont des matériaux rigides et résistants qui peuvent s'étirer ou se comprimer. Ils sont inertes ou non réactifs.
La plus grande différence entre la fibre de carbone et le graphite est la suivante : le graphite est floconneux, il se brise facilement tandis que la fibre de carbone est un matériau qui ne peut pas se briser facilement sauf si l'on applique une très grande force. La Figure 1.2 et la Figure 1.3 nous montrent respectivement la fibre de carbone après la "tensile failure" et la "flexural failure". La "Tensile failure" se produit quand les fibres s'allongent le long de ses axes. La "Flexural failure" se produit quand les fibres se compriment le long de ses axes.
Les structures atomiques de graphite sont déterminées par les diffractions de rayons X et d'autres techniques analytiques. Quant à la fibre de carbone, quelle forme prend-elle? La vérité, c'est qu'il est difficile d'avoir une description précise pour la structure atomique de la fibre de carbone. Les chimistes ont trouvé un autre moyen pour la fabriquer. Ils prennent les mêmes techniques qu'ils utilisent pour le graphite. Comme résultat, on a pu fournir une description qualitative pour la structure de la fibre de carbone.
Bien que les formes cristallines de carbone soient en vedettes, on ne peut pas oublier les formes amorphes du carbone. Il y en a deux types : le carbone noir et le carbone activé. Le carbone noir est utilisé comme pigment. On peut le trouver dans l'encre de l'imprimante et on s'en sert comme récipient pour garder les articles de caoutchouc. Le carbone activé, préparé à partir de la pyrolyse du matériel organique est très utile à cause de sa grande surface. Il sert à filtrer l'eau potable, l'eau des aquariums et l'air.(3)
Pour en savoir davantage sur ce sujet, vous pouvez cliquez sur le document suivant : Graphite and Carbon Fibers
En cliquant sur le titre qui suit, vous aurez plus de détails sur le diamant : What is a Diamond?
On dit que le diamant et le graphite sont formés à partir des mêmes atomes. Mais pourquoi cette pierre précieuse ne s'émiette-t-elle pas en poudre de graphite? Comme on le voit dans la Figure 2.1, la barrière d'énergie est très haute. Pour que la réaction se produise, il faut qu'on brise cette barrière d'énergie afin que les atomes puissent se rencontrer et former une nouvelle substance. Pour ce faire, il faut qu'on lui fournisse une quantité d'énergie.
On sait aussi qu'une réaction exothermique peut réagir très lentement si l'énergie d'activation est haute et qu'une réaction endothermique peut réagir très rapidement si l'énergie d'activation est basse. Revenons à notre problème : selon la situation, on voit que l'énergie d'activation est très haute. On peut voir aussi que son énergie potentielle est de -2900 joules pour chaque 12,01g de carbone. Donc, on peut conclure que c'est une réaction exothermique. Alors, si on veut briser cette barrière d'énergie, il faut qu'on fournisse une énergie sous forme de haute température. Mais on sait qu'une réaction exothermique réagit très lentement à cause de son énergie d'activation. Comme résultat, le diamant est emmagasiné dans la température ambiante et il ne peut pas s'émietter en graphite.(2)
Le document Diamond and Diamond Films vous donnera plus de détails sur ce sujet.
"Buckminsterfullerene" provient de Buckminster Fuller. C'est un architecte américain qui, lui aussi, est un théoricien et praticien des dômes géodésiques.
"Buckyball" est un surnom de Carbone 60 qui vient de la forme du ballon de soccer.
Avec toutes les autres recherches scientifiques importantes, le "buckyball" a été découvert par hasard. La recherche a débuté grâce à deux astrophysiciens (Donald Huffman et Wolfgang Kratschmer). "Ils sont des spécialistes des poussières interstellaires. Ils ont produit en laboratoire des amas de carbone de 5 à 500 atomes et ils les soumettaient à un rayon lumineux pour voir comment les molécules absorbaient la lumière". En 1985, les chimistes R. E. Smalley et H. F. Kroto avec leurs étudiants de l'université Rice, qui étudiaient sur l'interstellaire, ont voulu savoir quelle forme de carbone se trouve entre les étoiles. Après plusieurs expériences, ils ont prouvé que les propriétés intrinsèques (comme la couleur, la masse, etc.) du diamant, du graphite ou du buckyball dans l'espace sont identiques à celles de la Terre. "Ils avaient émis une hypothèse que la combustion de graphite produit une quantité importante de carbone 60." On peut donc conclure que le Carbone 60 existe, mais on ne connaît pas sa forme. Le seul point dont on est certain, c'est que le spectromètre de masse et le spectromètre de résonance magnétique nucléaire jouent un rôle important dans sa découverte.
Selon les informations données par le spectromètre de masse, Kroto, Smalley et leurs coéquipiers devaient trouver une solution pour former la molécule de "buckyball". Après quelques essais, ils conclurent que chaque atome de carbone contient quatre liens. À l'aide des dômes géodésiques, ils ont suggéré que le Carbone 60 avait un arrangement d'atomes qui ressemble à un ballon de soccer (Figure 3.1). Pourquoi a-t-il la forme d'un ballon de soccer et pas une autre forme? Si vous prenez un ballon de soccer et que vous le tracez en points, vous en trouverez exactement 60. Par la suite, si vous tracez des lignes pour relier ces points, vous verrez qu'il y aura trois lignes qui convergent vers un point. Enfin, vous les reliez ensemble, vous allez obtenir un ballon de soccer. À l'aide de ces explications, M. Kroto et M. Smalley supposent que si on relie les atomes de carbone avec cette méthode, on va obtenir une sphère qui contient exactement 60 atomes de carbone. Voilà, le problème est résolu. Mais une question demeure : si les "buckyballs" sont sous la forme de cristaux, quel genre de conducteurs sont-ils?
Pour vérifier cette hypothèse, M. Dennis Gilson, avec ses collaborateurs de McGill, Yining Huang et Ian Butler, ont soumis les cristaux de fullerènes à de fortes pressions. Les rotations se sont ralenties et le cristal a perdu une partie de sa cohésion, indice de son passage à une phase hésitant à nouveau entre le solide et le liquide. L'extrême agitation des molécules de fullerène dans un cristal serait responsable de sa plus stupéfiante propriété, la supraconductivité. À 40 Kelvin, les cristaux de "buckyballs" n'offrent plus de résistance au courant.
Moins mystérieuse est la résistance à la tension du "buckyball". Projeté sur une plaque d'acier à 28 000 km/h, il rebondit, intact, ce qui s'explique par sa forme et sa parfaite symétrie.
Comme je vous l'ai mentionné au début de cette section, la résonance magnétique nucléaire joue un rôle important dans la découverte du "buckyball". Mais qu'est-ce-que la résonance magnétique nucléaire? Quel est son rôle dans la structure du "buckyball"?
Tout d'abord, la résonance magnétique nucléaire (RMN) ou "nuclear magnetic resonance" (NMR) spectroscopique est une méthode qu'on utilise beaucoup en sciences et qui sert à expliquer la structure de la chimie organique. Cette technique fournit de l'information sur la structure moléculaire par l'examen des propriétés magnétiques de certains atomes à l'intérieur des molécules.(7)
Si nous retournons au "buckyball", on peut noter que la structure proposée par M. Kroto et M. Smalley (Figure 3.1) est très symétrique. Chaque atome de carbone est situé à l'intersection de deux hexagones et d'un pentagone. Les 60 points sont identiques. C'est à cause de cela que les atomes de carbone dans le "buckyball" ont un même environnement. Par la méthode RMN, on s'attend à ce que la structure nous donne 13 carbones même s'il y a 60 atomes de carbone. Avec la structure proposée par M. Kroto et M. Smalley, seulement un pic a été observé dans le spectre du carbone 60. Cette observation a limité l'acceptation du nombre des structures : on ne peut pas associer les atomes de carbone 60 selon les règles des liens de carbone parce que les environnements des liens de chaque carbone sont identiques. La plupart des chimistes s'accordent à dire que la structure du "buckyball" est caractérisée par l'observation d'une simple résonance de carbone 13 dans le spectre RMN.(1)
Pour en savoir davantage sur ce sujet, cliquez sur le lien suivant: Buckminsterfullerene.
Recherche : Thien Quan Nguyen, Centre Le Goéland, Sherbrooke, QC
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