Un revêtement dans des tuyaux avec des diamants cultivés en laboratoire permet de les garder parfaitement propres.
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Les canalisations industrielles transportant de l'eau ou des produits chimiques s'encrassent inévitablement en raison de l'accumulation de dépôts sur leurs parois internes. Cela ralentit le débit et endommage progressivement les équipements, entraînant des opérations de maintenance périodiques et des coûts d'exploitation plus élevés.
Il existe de nombreuses solutions à ce problème, notamment les adoucisseurs d'eau, les inhibiteurs de tartre chimiques destinés à prévenir l'accumulation de minéraux, ainsi que l'utilisation de matériaux de tuyauterie spécifiques et le revêtement des canalisations. Cependant, chacune présente des inconvénients. Or, des chercheurs de l'Université Rice à Houston, au Texas, ont mis au point une solution plus efficace pour lutter contre la formation de tartre : des revêtements à base de diamants de synthèse.
Les chercheurs spécialisés dans les matériaux soulignent que le revêtement qu'ils ont choisi reste propre sans entretien régulier. Leurs travaux s'appuient sur des études antérieures qui ont démontré que le diamant, outre son incroyable dureté et sa stabilité chimique, peut également inhiber la prolifération bactérienne.
Pour évaluer cette méthode, l'équipe a d'abord fait croître des films de diamant par un procédé appelé dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma micro-ondes (MPCVD: Microwave plasma chemical vapor deposition), dont une démonstration est visible dans la vidéo ci-dessous. Le MPCVD est la méthode la plus courante pour fabriquer des diamants synthétiques.
Comment sont fabriqués les diamants cultivés en laboratoire ?
Pour ce revêtement, des gaz de méthane et d'hydrogène ont été injectés dans une chambre de réaction contenant des plaquettes de silicium recouvertes par centrifugation d'une solution de nanodiamants. Un rayonnement micro-ondes de haute puissance a excité les atomes des gaz pour les transformer en plasma chaud, libérant ainsi des atomes de carbone qui se sont déposés sur les plaquettes et se sont liés à la structure du diamant au cours de plusieurs heures. Le revêtement a également été traité avec différents gaz afin d'obtenir des modifications subtiles de sa surface et d'en tester les propriétés.
Image au microscope électronique à balayage de films de diamant à terminaison azote pour revêtements anti-tartre Xiang Zhang, Yifan Zhu, Eliézer
Des échantillons du film ont ensuite été immergés pendant 20 heures à température ambiante dans une solution sursaturée de sulfate de calcium, afin de permettre le dépôt de tartre. Le film de diamant à terminaison azote a accumulé plus d'un ordre de grandeur de tartre en moins que les autres versions de film à terminaison oxygène, hydrogène ou fluor. De plus, l'accumulation s'est présentée uniquement sous forme d'amas cristallins dispersés, contrairement aux couches denses qui seraient difficiles à désagréger et à éliminer.
Lorsque cette approche a été appliquée à des électrodes en diamant dopé au bore, l'accumulation était environ sept fois inférieure à celle observée sur des électrodes non traitées.
Le chercheur Xiang Zhang avec le dispositif de dépôt chimique en phase vapeur par plasma micro-ondes. Jeff Fitlow/Jeff Fitlow Photography
« Ces résultats identifient les films de diamant polycristallin cultivés en phase vapeur, économiques, comme un matériau anti-tartre puissant et durable présentant un large potentiel dans le dessalement de l'eau, les systèmes énergétiques et d'autres industries où l'accumulation de minéraux pose problème », a déclaré Pulickel Ajayan, professeur de science des matériaux et de nano-ingénierie à l'Université Rice et co-auteur de l'étude parue dans ACS Nano plus tôt ce mois-ci .
Pulickel Ajayan et son équipe ont déjà travaillé sur des films de diamant, notamment dans le cadre d'une étude réalisée plus tôt cette année qui a démontré leur potentiel pour permettre la production de composants électroniques et informatiques quantiques plus rapides et plus efficaces.
La découverte des chercheurs pourrait permettre d'appliquer à l'avenir des revêtements de diamant non seulement aux canalisations industrielles, mais aussi aux équipements de dessalement de l'eau, de production de pétrole et de gaz, et de production d'énergie.