Carbone

Le carbone est l'élément chimique de numéro atomique 6, de symbole C. Il possède trois isotopes naturels : les carbones 12 (¹²C) et 13 (¹³C) qui sont stables et le carbone 14 (¹⁴C) qui est radioactif de demi-vie 5 730 années, utilisé pour dater des objets ayant incorporé du carbone naturel.

Le carbone est l'élément le plus léger du groupe 14 du tableau périodique. Le corps simple carbone présente plusieurs formes allotropiques dont principalement le graphite et le diamant. L'élément carbone forme divers composés inorganiques comme le dioxyde de carbone CO₂, et une grande variété de composés organiques et de polymères. C'est l'élément de base de toutes les formes de vie connues.

Le carbone est le 4^e élément le plus abondant dans l'univers et le 15^e le plus abondant dans la croûte terrestre. Il est présent sur Terre à l'état de corps simple (charbon et diamants), de composés inorganiques (CO₂) et de composés organiques (biomasse, pétrole et gaz naturel). De nombreuses structures basées sur le carbone ont également été synthétisées : charbon actif, noir de carbone, fibres, nanotubes, fullerènes et graphène.

La combustion du carbone sous toutes ses formes a été le fondement du développement technologique dès la préhistoire. Les matériaux à base de carbone ont des applications dans de nombreux autres domaines : matériaux composites, batteries lithium-ion, dépollution de l'air et de l'eau^,, électrodes pour les fours à arc ou la synthèse de l'aluminium, etc. Diverses recherches scientifiques ont mis en évidence la possibilité d'utiliser le carbone comme catalyseur ou support de catalyseur^, et comme électrocatalyseur^,.

Le diamant (/dja.mɑ̃/, du grec ancien ἀδάμας / adámas, « indomptable ») est un minéral, constitué d'atomes de carbone à l'état cristallin. Sa renommée vient de sa rareté à l'état naturel et de son utilisation en joaillerie. Le diamant trouve également de nombreuses applications industrielles du fait de ses propriétés physiques particulières, comme outils de coupe et d'usinage, comme bistouris ou dans des enclumes à diamant. Les diamants de synthèse peuvent remplacer les diamants naturels pour certaines applications.

Les propriétés physiques du diamant viennent des fortes liaisons covalentes entre ses atomes arrangés selon un système cristallin cubique. En particulier, le diamant est le matériau naturel le plus dur (avec l'indice maximal (10) sur l'échelle de Mohs) et il possède une très forte conductivité thermique. Chimiquement, le diamant est la forme allotropique de haute pression du carbone. Le diamant est métastable aux conditions ambiantes de l'atmosphère terrestre (basse température et pression), ce qui explique qu'on le trouve à la surface de la Terre. Le diamant reste moins stable que le graphite et la lonsdaléite, les deux autres formes de cristallisation du carbone.

La majorité des diamants naturels se sont formés dans des conditions de très hautes températures et pressions à des profondeurs de 140 à 190 kilomètres dans le manteau terrestre. Leur croissance nécessite de 1 à 3,3 milliards d'années (entre 25 et 75 % de l'âge de la Terre). Les diamants sont remontés à la surface par le magma d'éruptions volcaniques profondes qui refroidit pour former des roches volcaniques contenant les diamants, les kimberlites et les lamproïtes.

Le graphite est une espèce minérale qui est, avec le diamant, la lonsdaléite et la chaoite, l'un des allotropes naturels du carbone. Le graphite est dit naturel quand il provient d'une mine et synthétique quand il est issu de la pyrolyse de houille ou de coke de pétrole.

Sa formule chimique est « C » mais les formes natives permettent de retrouver des traces d'hydrogène (« H »), d'azote (« N »), d'oxygène (« O »), de silicium (« Si »), d'aluminium (« Al »), de fer (« Fe ») ou encore d'argile.

En raison de son importance industrielle (pour les batteries de type lithium-ion notamment) il est maintenant considéré comme matériau critique de la transition énergétique, inclus dans une première liste de criticité en Europe.

Le graphène est un matériau bidimensionnel cristallin, forme allotropique du carbone dont l'empilement constitue le graphite. Des analogues inorganiques du graphène tels que les MXenes ou les MBenes ont aussi pu être développés.

Cette définition théorique est donnée par le physicien Philip R. Wallace (en) en 1947. Par la suite, le travail de différents groupes de recherche permettra de se rendre compte que la structure du graphène tout comme ses propriétés ne sont pas uniques et dépendent de sa synthèse/extraction (détaillée dans la section Production). Le graphène n'a pu être isolé et caractérisé qu'en 2004 par le groupe d'Andre Geim, du département de physique de l'université de Manchester, qui a reçu pour cela, avec Konstantin Novoselov, le prix Nobel de physique en 2010. La structure théorique du graphène a été identifiée comme constituant l'élément structurel de base d’autres formes allotropiques, comme le graphite, les nanotubes de carbone (forme cylindrique) et les fullerènes (forme sphérique). Les principales qualités sur lesquelles la recherche en science des matériaux/chimie en Europe est centrée sont sa très bonne conductivité électrique et conductivité thermique (jusqu'à 5 300 W m⁻¹ K⁻¹), sa résistance mécanique, souplesse, transparence optique et son imperméabilité moléculaire^,.

La stabilité du graphène est expliquée par une hybridation orbitale sp² –une combinaison d'orbitales s, p_x et p_y t qui constituent la liaison σ. L'électron p_z constitue la liaison π. Les liaisons π s'hybrident ensemble pour former la bande π et les bandes π∗. Ces bandes sont responsables de la plupart des propriétés électroniques notables du graphène, via la bande à moitié remplie qui permet aux électrons de se déplacer librement.

Les fullerènes sont des allotropes du carbone constitué de molécules ayant la forme d'une sphère, d'un ellipsoïde, d'un tube (nanotube) ou d'un anneau. Les fullerènes sont similaires au graphite, composé de feuilles d'anneaux hexagonaux liés, mais ils comportent des anneaux pentagonaux et parfois heptagonaux, ce qui courbe la feuille. Les fullerènes sont la troisième forme allotropique connue du carbone, après le graphite et le diamant.

Les fullerènes ont été découverts en 1985 par Harold Kroto, Robert Curl et Richard Smalley, ce qui leur valut le prix Nobel de chimie en 1996.

Le premier fullerène découvert a pour formule C₆₀. Ses molécules se composent de 12 pentagones et 20 hexagones, chaque sommet étant occupé par un atome de carbone et chaque côté par une liaison covalente. Cette structure est la même que celle d'un dôme géodésique ou d'un ballon de football. Pour cette raison, il est appelé « buckminsterfullerène », en hommage à l'architecte Buckminster Fuller qui a conçu le dôme géodésique, ou « footballène ».

Un nanotube est une structure cristalline particulière, de forme tubulaire, creuse et close, composée d'atomes disposés régulièrement en pentagones, hexagones et/ou heptagones, obtenue à partir de certains matériaux, en particulier le carbone et le nitrure de bore.