March 27, 2023

Des diamants dans nos poubelles !

Produire du diamant à partir d’une bouteille en plastique? Loin de la transmutation du plomb en or rêvée par les alchimistes, ce procédé est déjà réalisable en laboratoire.

L’idée selon laquelle nous pourrions produire du diamant à base de plastique se base sur une théorie scientifique concernant deux planètes de notre système solaire : Neptune et Uranus, surnommées “géantes de glace''. Cette théorie avance qu’au vu des conditions de température et de pression de ces planètes, il est fort probable que du diamant se forme en leurs seins, jusqu’à avoir un réel cœur de diamant. Cependant, Neptune et Uranus sont des planètes très éloignées de la Terre et leurs conditions atmosphériques les ont rendues très difficiles à analyser avec un satellite jusqu’à maintenant. La théorie ne peut donc pas totalement être vérifiée, mais elle semble validée par une majeure partie de la communauté scientifique.

 

Pour comprendre comment du diamant peut se former en si grande quantité sur des planètes, il faut s’intéresser à la composition atmosphérique de ces dernières. Les atmosphères des géantes de glace sont composées, entre autres, d’hydrogène, d’hélium mais aussi de méthane (CH4). C’est le carbone présent dans le méthane qui, sous l’effet des conditions de température et de pression extrême, se transforme en diamant sous forme liquide. En effet, la pression au cœur de Neptune peut atteindre 800 GPa soit 2 fois plus qu’au centre de la Terre et des milliers de fois plus qu’à la surface de cette dernière; la température peut, quant à elle, atteindre 7000°C. Malgré son surnom de géante de glace, dû à sa température de surface très faible, estimée à -200°C (par température de surface, on entend température pour une pression de 100 kPa), Neptune génère une très grande chaleur interne, supérieure à la chaleur qu’elle reçoit du Soleil. C’est cette chaleur créée au cœur de Neptune qui rend possible la formation de diamant pour les molécules de méthane relativement proches de sa source.  


Tout récemment, des physiciens ont voulu recréer ces conditions en laboratoire pour tenter de confirmer la théorie des pluies de diamants sur Neptune et Uranus. Les chercheurs du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (Allemagne) ont réussi à générer des nanodiamants à l’aide d’un faisceau laser intense, sur du plastique en polyéthylène téréphtalate (PET), polymère à partir duquel  les bouteilles en plastique sont fabriquées. Selon Dominik Kraus, un scientifique et auteur principal de l’étude, l'intérêt du PET est dans sa composition. En effet, le PET est composé de carbone, d’hydrogène et d’oxygène ce qui est particulièrement proche de la composition des atmosphères de Neptune et Uranus. Concernant le laser, il permet de recréer brièvement les conditions extrêmes de pression et de température sur ces deux planètes. Par conséquent dans le laboratoire, lorsque le laser optique de grande puissance a tiré sur le film de plastique PET, il l’a alors chauffé à plus de 6000 degrés Celsius, tout en lui imposant une forte pression. En quelques secondes les 

scientifiques ont alors observé une formation de structures semblables à celle des diamants.



Illustration de la production de nanodiamants par jeu de lasers sur une bouteille en plastique PET.



Pour être plus précis, le diamant est une pierre précieuse uniquement composée de carbone pur. Il se forme dans les profondeurs de la terre où la température dépasse les 1400 degrés Celsius, et où la pression atteint au moins les 6 GPa. Dans cette expérience, le carbone allié à l’hydrogène se dissocie pour former les nanodiamants obtenus. Cette transformation chimique est bien connue des scientifiques, mais cette fois-ci la présence d’oxygène dans le plastique PET semble avoir catalysé la séparation du carbone et de l’hydrogène, encourageant davantage la formation de diamants. Les résultats obtenus par les scientifiques ont ensuite été publiés dans la revue Science Advances.


De par leurs propriétés, la production de ces nanodiamants invite à de nombreuses avancées. Connu comme l’un des matériaux les plus durs sur Terre, le diamant peut servir à l’échelle quotidienne d’abrasif ou d’agent de polissage de haute qualité. De plus, dans un contexte plus pointu, les chercheurs envisagent son utilisation dans la fabrication de capteurs quantiques ultras sensibles, qui, révolutionnaires, sont une technologie clé dans la quête de l’ordinateur quantique. Ce dernier permettrait entre autres le développement de nouvelles molécules, la simulation exacte de réactions chimiques inconnues à ce jour ou la prédiction quasi parfaite de phénomènes météorologiques. Également, ces diamants peuvent trouver leur utilité en tant qu’agents de contrastes médicaux ou encore comme catalyseurs, afin d'accélérer des réactions chimiques. Cette production par “Flash” est donc une révolution et invite à une production d’un matériau rare et d’une grande utilitée. De plus, ce type de production est bien plus propre que celle par explosifs, utilisée jusqu'alors. Elle nous permettrait aussi d’avoir une bien meilleure précision sur la taille ou la composition des diamants. Il ne faut cependant pas crier au miracle. En effet, ce processus demande énormément de ressources humaines, matérielles et énergétiques. Ces dernières représentent la principale limite de notre production par “Flash”. Ainsi, il n’est donc actuellement pas possible d’en faire une production viable, à grande échelle. Malgré cela, cette avancée scientifique est loin d’être inutile. Elle aura permis une compréhension plus poussée de Neptune, confirmant et démontant plusieurs théories, tout en prouvant concrètement la formation de diamants sur cette planète. 


Blog écrit par Rose Peybernès , Alex Briendo , Maxime Arresseguet


Sources:

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March 13, 2023

Les enjeux deutérium et du tritium dans la fusion nucléaire

La fusion nucléaire. Nous avons tous déjà entendu parler de cette réaction nucléaire. Le principe est simple : à partir de 2 noyaux légers, créer un noyau plus lourd. Cette réaction va dégager une quantité colossale d’énergie nucléaire. Cette perspective d’une source d’énergie quasiment inépuisable attise les convoitises d’autant plus avec la hausse de la population mondiale et les successions de crises énergétiques. Mais la route vers ce paradis énergétique est semée d’embûches. Depuis les années 1950, les travaux de recherche réalisés dans le monde entier n'ont encore abouti. En effet, il y a plusieurs types de réactions nucléaires et les réactions de fusion qui dégagent le plus d’énergie exigent des températures et des pressions inatteignables sur Terre dans un futur proche. Néanmoins, avec des pressions et températures réalisables, une réaction de fusion ressort et est privilégiée par les projets actuels de fusion nucléaire:

Schéma représentant une réaction de fusion entre du deutérium et du tritium


C’est sur cette réaction que nous allons nous pencher et réfléchir à une question que l’on se pose peu souvent : d’où proviennnent ce deutérium et ce tritium ?


Commençons par le deutérium. C’est un isotope de l'hydrogène ayant le même nombre de proton mais 1 neutron de plus que l'hydrogène. Le deutérium est relativement peu abondant mais il est facile à extraire de l'eau de mer qui en constitue donc un gisement pratiquement inépuisable. Ce procédé d’extraction, déjà industrialisé, est la séparation isotopique de l’eau lourde par méthode de Girdler. Il consiste en une méthode de production industrielle d'eau lourde (oxyde de deutérium), un élément important pour les réacteurs nucléaires. La méthode Girdler est constituée de 2 colonnes. Une colonne est maintenue à 30 °C et est appelée la « tour froide » et l'autre à 130 °C et est appelée la « tour chaude ». Le sulfure d'hydrogène gazeux circule en circuit fermé entre la tour froide et la tour chaude. De l'eau normale, contenant naturellement un peu de deutérium, est envoyée dans la tour chaude avec du sulfure d'hydrogène : à cette température, le deutérium a tendance à migrer de cette eau (ainsi appauvrie) vers le sulfure d'hydrogène. Celui-ci est ensuite envoyé dans la tour froide, avec de l'eau déminéralisée et dégazéifiée : à cette température, le deutérium a tendance à migrer du sulfure d'hydrogène vers cette eau, qui est ainsi enrichie en deutérium. En répétant l'opération sur cette eau, on l'enrichit à nouveau.


En revanche, le problème est beaucoup plus complexe pour l’approvisionnement en tritium. La méthode choisie, (elle est toujours en développement) par le projet ITER est de reproduire cet le tritium grâce à la réaction de fusion elle-même !!!

En effet la réaction de fusion se fait dans un espace clos et lorsqu’un noyau de deutérium fusionne avec un noyau de tritium, les particules se recomposent en un noyau d'hélium et un neutron. Le noyau d'hélium reste dans cette espace confiné mais le neutron lui peut s’en échapper. Le projet serait de capturer ce neutron et de le faire réagir avec du lithium 6 pour recréer du tritium. Voilà le principe de production du tritium mais c’est juste sur le principe car nous n’avons pas encore trouvé les solutions technologiques qui permettent cela.


L’approvisionnement en deutérium et tritium est donc un enjeu de taille bien que l'on se pose peu cette question. Aujourd'hui le vrai défi est l’approvisionnement en tritium car l'élément est peu abondant et le système de production est coûteux et pas encore abouti. Et si la solution se trouvait peut-être dans une autre réaction de fusion qui mettrait en jeu d'autres éléments chimiques. C’est cette direction qu'a prise TAE technologies, une société américaine développant l'énergie de fusion aneutronique, en étudiant une réaction qui fait appel à des protons et des atomes de bore. Cette réaction a le mérite de n'utiliser que du combustible disponible en abondance et de ne pas produire de neutrons, mais nécessite des températures dix fois plus élevées (environ un milliard de kelvins).


Blog écrit par Alexandre Bertoletti, Malick Diallo


Sources : 





 
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