Des carbones anthropiques comme analogues de carbones extra-terrestres ? Apport de la microscopie électronique en transmission

Le graphite, le diamant … ou le carbone amorphe ne sont pas, loin s’en faut, les seules formes de carbone solide. En effet, à côté de ces formes bien connues, il est possible élaborer une très grande variété de matériaux carbonés ‘à la carte’ : lamellaires, poreux, concentriques, tubulaires, … C’est ce que font les industriels pour fabriquer des carbones d’organisations de plus en plus sophistiquées, et donc de propriétés prédéterminées, en vue d’applications dans différents domaines (métallurgie, aéronautique, énergie, environnement…).

Ces carbones sont généralement caractérisés par une organisation multi-échelles, du micromètre au nanomètre. Que ce soit dans la Nature, ou lors de synthèses industrielles ou en laboratoire, cette organisation multi-échelles des carbones enregistre les conditions de leur formation (nature du précurseur, température, pression, présence éventuelle de catalyseurs…) ; elle peut donc être considérée comme une empreinte génétique. La Microscopie Electronique en Transmission (MET) est un outil précieux puisqu’elle accéder directement à l’organisation multi-échelles de ces carbones ; ainsi le mode ‘haute résolution’ permet de visualiser le profil des plans d’atomes de carbone, et de remonter aux différentes organisations multi-échelles. Couplée avec des méthodes de caractérisation plus globales (diffraction des rayons X et surtout microspectrométrie Raman), la MET est un outil unique pour mettre en évidence ces différentes organisations et les relier leurs modes de formation et à leurs propriétés physico-chimiques.

Certaines étapes de formation de ces carbones anthropiques à partir de précurseurs organiques (carbonisation, graphitisation, …) peuvent simuler des épisodes de formation de carbones extra-terrestres. Les organisations de ces carbones peuvent être étudiées directement sur des objets ‘réels’ (carbones des météorites par exemple) ou bien indirectement à partir de données astronomiques (spectrométrie infra-rouge par exemple). Ainsi, nos études de MET révèlent l’extrême variété, parfois paradoxale, des carbones au sein de chondrites (matière organique très désordonnée, graphite, diamants, suies, … ) ; leur présence, et les relations de phase entre elles, permettent d’étayer, ou d’exclure, des hypothèses quant à leurs origines possibles.

Afin de fournir des données expérimentales solides sur des modes de formation plausibles des carbones extra-terrestres, notre approche, à l’interface entre Sciences des Matériaux et Sciences de l’Univers, consiste à les comparer avec des carbones anthropiques élaborés dans des conditions bien contraintes. Quelques exemples seront présentés pour illustrer notre démarche : pyrolyse laser d’hydrocarbures pour obtenir des suies analogues de poussières carbonées circumstellaires, synthèse de nanoparticules de carbone dans des plasmas poudreux pour simuler la formation de nanodiamants, pyrolyse et oxydation de nanodiamants synthétiques pour discuter de leur devenir lors de métamorphismes nébulaires ou astéroïdaux, chocs mécaniques sur du graphite pour reproduire la formation de diamant dans des météorites choquées.