Le carbone est un élément phénoménal. Lorsque les atomes de carbone sont disposés d’une manière particulière, ils deviennent du graphite souple et malléable. Si l’on réarrange les atomes, on obtient le diamant, l’une des substances les plus dures connues de l’homme.
Le carbone est également le composant essentiel de la majorité des formes de vie sur Terre, le pigment utilisé pour créer les premiers tatouages et la base des merveilles techniques telles que le graphène, un matériau plus solide que l’acier et plus souple que le caoutchouc.
Le carbone existe à l’état naturel sous forme de carbone-12, qui représente plus de 99 % du carbone de l’univers, de carbone-13, qui représente environ 1 %, et de carbone-14, qui représente une proportion négligeable du carbone total mais est essentiel pour la datation des matériaux biologiques.
Le Carbone : Quelques faits intéressants
- Nombre de protons dans le noyau d’un atome : 6.
- Symbole atomique (selon le tableau périodique) : C
- Poids atomique (masse atomique moyenne) : 12,00107
- Densité : 2,2670 grammes par centimètre cube
- Phase solide à température ambiante
- Point de fusion : 6,422 degrés Fahrenheit (3,550 degrés Celsius)
- Le point d’ébullition de l’eau est de 6 872 degrés Fahrenheit (3 800 degrés Celsius) (sublimation)
- Il existe un total de quinze isotopes, dont deux isotopes stables, qui sont des atomes du même élément avec un nombre différent de neutrons.
- Le carbone-12 (6 protons, 6 neutrons et 6 électrons) et le carbone-13 sont les isotopes les plus abondants (6 protons, 7 neutrons et 6 électrons)
Comment et de quoi est composé le carbone?
Selon le Swinburne Center for Astrophysics and Supercomputing, le carbone, sixième élément le plus répandu dans l’univers, se développe au cœur des étoiles par une réaction connue sous le nom de mécanisme triple-alpha.
L’hélium se développe dans les étoiles plus anciennes qui ont brûlé la plupart de leur hydrogène. Chaque noyau d’hélium est composé de deux protons et de deux neutrons. À des températures extrêmement élevées – supérieures à 100 000 000 Kelvin (179 999 540,6 degrés Fahrenheit) – les noyaux d’hélium commencent à fusionner, d’abord par paires en noyaux de béryllium instables à 4 protons, puis, lorsque suffisamment de noyaux de béryllium sont créés, en un béryllium et un hélium. Il en résulte des atomes de carbone avec six protons et six neutrons.
Le carbone crée des motifs. Il peut se lier à lui-même pour former des polymères, qui sont des chaînes longues et robustes. Il peut également former des liaisons avec jusqu’à quatre autres atomes en raison de la configuration de ses électrons. Les atomes sont constitués d’un noyau entouré d’un nuage d’électrons, ces derniers orbitant autour du noyau à différentes distances. Selon l’université de Californie, Davis, les chimistes considèrent ces distances comme des coquilles et décrivent les propriétés des atomes en fonction du contenu de chaque coquille. Le carbone possède deux coquilles électroniques, la première contenant deux électrons et la seconde quatre des huit positions potentielles des électrons. Les atomes partagent les électrons de leur coquille la plus externe lorsqu’ils forment des liaisons. L’enveloppe extérieure du carbone contient quatre espaces vacants, ce qui lui permet de former des liaisons avec quatre autres atomes. (Il peut également former des liaisons doubles et triples stables avec moins d’atomes).
Le carbone a donc des alternatives. Il les utilise : Selon le site web Chemistry Explained, environ 10 millions de composés du carbone ont été identifiés, et les scientifiques pensent que le carbone est à la base de 95 % des molécules connues. L’extraordinaire capacité du carbone à former des liaisons avec de nombreux autres éléments est une raison fondamentale pour laquelle il est essentiel à pratiquement toutes les formes de vie.
La découverte du carbone est perdue pour l’histoire. Les hommes préhistoriques connaissaient le carbone sous la forme de charbon de bois. Selon l’Association mondiale du charbon, environ 37 % de l’électricité mondiale est encore produite en utilisant du carbone sous forme de charbon. Le charbon est également un élément essentiel de la fabrication de l’acier, tandis que le graphite, un autre type de carbone, est largement utilisé comme lubrifiant industriel.
Le carbone 14 est un isotope radioactif du carbone que les archéologues utilisent pour dater les artefacts et les restes humains. Le carbone 14 est produit naturellement dans l’atmosphère. Selon le Centre d’évaluation non destructive de l’Université d’État de l’Iowa, les plantes absorbent le dioxyde de carbone pendant la respiration, au cours de laquelle elles retransforment les hydrates de carbone produits pendant la photosynthèse en énergie qu’elles utilisent pour leur croissance et d’autres opérations. Les animaux intègrent le carbone 14 dans leur organisme en consommant des plantes et d’autres herbivores. Selon l’Université d’Arizona, le carbone 14 a une demi-vie de 5 730 ans, ce qui signifie qu’après cette période, la moitié du carbone 14 présent dans un échantillon se désintègre.
Comme les animaux cessent d’absorber le carbone 14 après leur mort, les scientifiques peuvent utiliser la demi-vie du carbone 14 comme une sorte d’horloge pour déterminer le temps écoulé depuis la mort d’un organisme. Cette approche est applicable aux organismes ayant déjà vécu, comme le bois et d’autres matériaux d’origine végétale.
Les recherches menées sur le carbon
Le carbone est un élément bien étudié, mais cela ne signifie pas qu’il n’y a plus rien à apprendre à son sujet. En réalité, le même élément que nos anciens prédécesseurs ont utilisé pour créer du charbon de bois pourrait être la clé du développement des matériaux technologiques de la prochaine génération.
En 1985, Rick Smalley, Robert Curl et ses collègues de l’université Rice au Texas ont identifié un nouveau type de carbone. Selon l’American Chemical Society, les scientifiques ont mis au point une nouvelle molécule de carbone mystérieuse en vaporisant du graphite avec des lasers. Ils ont découvert que cette molécule était une sphère en forme de ballon de football composée de soixante atomes de carbone. L’équipe d’étude a baptisé sa découverte buckminsterfullerene en l’honneur d’un architecte qui a créé des dômes géodésiques. La molécule est désormais souvent désignée sous le nom de « buckyball » Les scientifiques qui l’ont découverte ont reçu le prix Nobel de chimie en 1996. Selon une étude publiée en 2009 dans le Journal of Chemical Information and Modeling, les buckyballs inhibent la propagation du VIH. Des chercheurs de l’université de Columbia, de l’université Rice et d’autres universités s’efforcent d’attacher des médicaments, molécule par molécule, aux buckyballs afin de les administrer directement aux sites d’infection ou aux tumeurs dans l’organisme. Des chercheurs de l’université chinoise de Yanshan, dirigés par Yongjun Tian, ont découvert en 2021 qu’en comprimant des buckyballs, ils pouvaient créer la substance non cristalline la plus dure au monde, presque aussi dure que le diamant.
D’autres molécules de carbone pur, appelées fullerènes, ont été identifiées, notamment des « buckyeggs » de forme elliptique et des nanotubes de carbone à la conductivité étonnante. La chimie du carbone est encore suffisamment séduisante pour mériter des prix Nobel : Selon la Fondation Nobel, des chercheurs du Japon et des États-Unis ont obtenu un prix Nobel en 2010 pour avoir découvert comment lier les atomes de carbone à l’aide d’atomes de palladium, une technologie qui permet de produire des composés de carbone massifs et complexes.
Grâce à ces nanostructures de carbone, les scientifiques et les ingénieurs créent des matériaux tout droit sortis de la science-fiction. Un article publié en 2010 dans Nano Letters décrit la découverte de textiles souples et conducteurs trempés dans une « encre » de nanotubes de carbone qui peut être utilisée pour stocker de l’énergie, ouvrant ainsi la voie à des batteries portables, des cellules solaires et d’autres dispositifs électroniques. L’encre est actuellement disponible dans le commerce auprès d’entreprises de fournitures chimiques.
Le graphène, une substance dite « miracle », est sans doute l’un des sujets de recherche les plus chauds dans le domaine du carbone aujourd’hui. Le graphène est une feuille de carbone d’un seul atome d’épaisseur. Il s’agit du matériau connu le plus résistant, mais aussi le plus léger et le plus flexible. Il conduit l’électricité plus efficacement que le cuivre. Les scientifiques continuent de découvrir de nouvelles propriétés du graphène. En 2020, par exemple, des chercheurs ont révélé dans la revue Nature Physics qu’en empilant le graphène d’une manière particulière, on pouvait le rendre magnétique.
Produire du graphène à grande échelle est difficile, cependant des chercheurs ont révélé en avril 2014 qu’ils pouvaient en produire de grandes quantités en utilisant uniquement un mixeur domestique. En 2020, des scientifiques de l’Université technique de Delft, aux Pays-Bas, ont créé un modèle mathématique permettant de diriger la production de masse. Si les scientifiques parviennent à trouver un moyen efficace de produire du graphène en masse, ce matériau pourrait devenir un moteur technologique. Pensez à des appareils minces comme du papier, pliables et indestructibles. Le carbone a vraiment parcouru un long chemin depuis le charbon de bois et les diamants.
Les nanotubes de carbone
Un nanotube de carbone (NTC) est une structure à l’échelle nanométrique composée d’atomes de carbone qui ressemble à une fine paille. Ces tubes ont un large éventail d’applications dans les technologies électriques, magnétiques et mécaniques. Ces tubes ont des diamètres si petits qu’ils sont mesurés en nanomètres. Un nanomètre est un milliardième de mètre, ce qui est environ 10 000 fois plus petit que la largeur d’un cheveu humain.
Selon le site UnderstandingNano.com, les nanotubes de carbone sont au moins 100 fois plus résistants que l’acier, mais seulement six fois moins lourds, ce qui leur permet de renforcer presque tous les matériaux. Ils sont également supérieurs au cuivre dans leur capacité à conduire l’électricité et la chaleur.
L’utilisation des nanotechnologies pour convertir l’eau de mer en eau potable. Dans une nouvelle étude, des scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont créé une technologie de nanotubes de carbone capable d’éliminer le sel de l’eau de mer de manière beaucoup plus efficace que les méthodes conventionnelles.
Les systèmes de dessalement traditionnels, par exemple, pompent l’eau de mer sous haute pression à travers des membranes d’osmose inverse. Ces membranes excluent ensuite toutes les grosses particules, y compris les sels, ne laissant passer que l’eau pure. Cependant, selon le LLNL, ces usines de dessalement sont extrêmement coûteuses et ne peuvent fournir qu’environ 10 % des besoins en eau d’un comté.
Dans l’étude sur les nanotubes, les scientifiques ont imité la structure des membranes biologiques, qui est essentiellement une matrice contenant des pores. Ils ont utilisé des nanotubes extraordinairement petits – environ 50 000 fois plus petits qu’un cheveu humain. Ces nanotubes permettent un flux d’eau très élevé mais sont si étroits qu’une seule molécule d’eau à la fois peut les traverser. De plus, les ions de sel sont trop gros pour passer dans le tube.
Selon les chercheurs, cette nouvelle découverte a des implications importantes pour la prochaine génération de techniques de purification de l’eau et les technologies de membranes à haut flux.
Articles Similaires:
- De quoi est composé un électron?
- De quoi est composé un néon?
- De quoi est composé le carburant?
- De quoi est composé le formol?
- De quoi est composé le lithium?
- De quoi est composé un quark?
- De quoi est composé l’oxygène?
- De quoi est composé le kérosène?
- De quoi est composée une molécule?
- De quoi est composé l’hélium?
