Allotropie du carbone

Le carbone amorphe est une forme du carbone qui ne possède pas de structure cristalline, ou en fait qui est hautement désordonnée (a-C). Ces formes amorphes du carbone sont un mélange de sites à trois liaisons de type graphite ou à quatre liaisons de type diamant. Il est présent dans ce qu'on désigne usuellement par charbon, suie, et noir de charbon, lesquels sont sensu stricto, non pas des allotropes, mais des polycristaux au sein d'une matrice amorphe.

Voir l'article carbone amorphe.

Le diamant est une forme cristalline du carbone où les atomes de carbone sont coordonnés à 4 autres par liaisons sp3 formant un réseau cristallographique cubique. Le diamant existe à l'état naturel, mais il est aussi synthétisé par diverses méthodes : techniques HP-HT (haute pression, haute température), dépôt chimique en phase vapeur, et vaporisation d'une solution éthanol-eau (méthode Tequila). Stable à haute pression mais métastable à pression atmosphérique, le diamant se transforme très lentement vers l'état stable graphite dans les conditions prévalant à la surface de la Terre ; cette transformation est cependant trop lente pour être observable.

Un diamant à structure hexagonale existe aussi, la lonsdaléite. Cet allotrope, beaucoup plus rare, a été découvert en 1967 dans un cratère météoritique, et synthétisé la même année, indépendamment, lors d'expériences à haute pression (13 GPa) et haute température (> 1000 °C)[3].

Le graphite[4] est une forme cristalline stable du carbone où les atomes de carbone sont coordonnés à trois autres par liaisons sp2 dans un plan cristallographiques hexagonal 2 % des atomes sont engagés dans les plans voisins. Loin de cet état cristallin parfait, un graphite peut combiner une variété de structures, incluant des nappes de structure graphène (feuillets : plans à structure hexagonale non reliés), des lacunes d'atomes dans les plans graphitiques, et des atomes interstitiels insérés entre ces plans, et des structures plus amorphe (voir noir de carbone).

La nanomousse, ou carbone meso-poreux, est obtenue par vaporisation de graphite sous atmosphère inerte (argon). C'est la seule forme allotropique du carbone possédant des propriétés magnétiques.

Les fullerènes[5] sont une forme cristalline du carbone où les atomes de carbone sont coordonnés à 4 autres par liaisons sp2 formant un réseau cristallographique sphérique creux. Le cristal type est le Buckminsterfullerène (C₆₀), mais il en existe de 40 à 540 atomes de carbone (C₄₀, C₇₀, C₅₄₀). Découverts en 1985 en laboratoire, ils sont produits par décharge d'arcs électriques, mais ils furent aussi identifiés dans des noirs de carbone préparés industriellement par la méthode au four. Les sphères cristallines forment des agrégats (clusters). Il existe aussi des structures dites en oignons (structure de type fullerène, mais dont la paroi est constituée de plusieurs couches de carbone).

Les nanotubes de carbone sont des formes cristallines cylindriques creuses du carbone (feuille de graphène enroulée). Il existe:

• des nanotubes de carbone monofeuillets, (en anglais Single-walled Carbon Nanotubes, SWNT) ;
• des nanotubes de carbone deux, ou multi-feuillets, (en anglais Double,- or Multi-walled Carbon Nanotubes, DWNT, MWNT).

Leurs propriétés sont exceptionnelles :

• d'un point de vue mécanique: ils présentent à la fois une excellente rigidité, comparable à celle de l'acier, tout en étant extrêmement légers.
• d'un point de vue électrique et optique: les nanotubes mono-feuillets se comportent soit comme des métaux (métalloïdes) soit comme de semi-conducteurs en fonction de leur géométrie.

Une variété de fibres de carbone (utilisées dans les matériaux composites pour leur résistance mécanique dans le sens de la fibre) fut produite et décrite depuis les années 1970 à 1980, plus ou moins pures après des traitements thermiques et mécaniques de polymères (polyacrylonitrile, cellulose...).

Les plus purs, qu'on désigne par le terme générique de carbyne[6], sont obtenus par graphitisation, et ont comme propriétés remarquables de séparer des constituants de phases liquide ou gaz, ou de catalyser des réactions, propriétés surprenantes comparées aux charbons actifs ayant des surfaces spécifiques pourtant très supérieures. Leur structure de base est une chaine linéaire de carbone moléculaire électriquement neutre (des carbynes substitués par du carbone et polymériques).

La chaoite[6], ou carbone blanc, est un minéral décrit dans certains gneiss graphitiques (shock-fused graphite gneiss) du cratère Ries en Bavière, et dans des météorites, ce qui reste contesté. Il forme des cristaux de 2 à 15 μm, interstitiels dans des lamelles de graphite, avec une couleur de réflexion gris à blanc, un éclat sub-métallique, une diaphanéité opaque, légèrement plus durs que le graphite (Mohs : 1 à 2), de densité calculée 3,43. Sa structure est hexagonale et dihexagonale et sa symétrie est dipyramidale. Son profil de diffraction électronique l'apparente à une structure carbyne[7] mais ceci a été contesté et attribué à des impuretés[8].

Des allotropes du carbone moléculaire plus simples que les fullérènes, cycles di-, tri- et penta-carbone, ont été montrés présents dans l'espace.

• C₂[11]
• C₃[11] ou tricarbone[12]
• C₅[11]

• Patrick Bernier et Serge Lefrant, Le carbone dans tous ses états, Taylor & Francis, 1997, 584 p. (ISBN 978-90-5699-056-5, lire en ligne)

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