Vous connaissez bien le tableau périodique ? Notre série Les éléments explore les blocs de construction fondamentaux de l’univers observable – et leur pertinence pour votre vie – un par un.
Il peut être scintillant et dur. Il peut être mou et floconneux. Il peut ressembler à un ballon de football. Le carbone est l’épine dorsale de tout être vivant – et pourtant il pourrait bien causer la fin de la vie sur Terre telle que nous la connaissons. Comment un morceau de charbon et un diamant brillant peuvent-ils être composés de la même matière ? Voici huit choses que vous ne saviez probablement pas sur le carbone.
1. C’EST LE « TAPIS DUCT DE LA VIE ».
Il est dans chaque être vivant, et dans pas mal de morts. « L’eau est peut-être le solvant de l’univers », écrit Natalie Angier dans son introduction classique à la science, The Canon, « mais le carbone est le ruban adhésif de la vie ». Non seulement le carbone est un ruban adhésif, mais c’est un sacré ruban adhésif. Il lie les atomes les uns aux autres, formant les humains, les animaux, les plantes et les roches. Si nous jouons avec lui, nous pouvons l’amadouer et le transformer en plastiques, peintures et toutes sortes de produits chimiques.
2. C’EST L’UN DES ELEMENTS LES PLUS ABONDANTS DE L’UNIVERS.
Il se trouve tout en haut du tableau périodique, coincé entre le bore et l’azote. Numéro atomique 6, signe chimique C. Six protons, six neutrons, six électrons. C’est le quatrième élément le plus abondant dans l’univers après l’hydrogène, l’hélium et l’oxygène, et le quinzième dans la croûte terrestre. Alors que ses cousins plus âgés, l’hydrogène et l’hélium, auraient été formés pendant le tumulte du Big Bang, le carbone proviendrait d’une accumulation de particules alpha dans les explosions de supernova, un processus appelé nucléosynthèse de supernova.
3. IL EST NOMMÉ D’APRÈS LE CHARBON.
Si les humains connaissent le carbone sous forme de charbon et – après combustion – de suie depuis des milliers d’années, c’est Antoine Lavoisier qui, en 1772, a montré qu’il s’agissait en fait d’une entité chimique unique. Lavoisier utilisait un instrument qui focalisait les rayons du Soleil à l’aide de lentilles d’un diamètre d’environ quatre pieds. Il a utilisé cet appareil, appelé four solaire, pour brûler un diamant dans un bocal en verre. En analysant les résidus trouvés dans le bocal, il a pu montrer que le diamant était composé uniquement de carbone. Lavoisier l’a répertorié pour la première fois comme élément dans son Traité Élémentaire de Chimie, publié en 1789. Le nom de carbone dérive du français charbon, ou houille.
4. IL AIME SE LIER.
Il peut former quatre liaisons, ce qu’il fait avec de nombreux autres éléments, créant des centaines de milliers de composés, dont certains que nous utilisons quotidiennement. (Plastiques ! Médicaments ! Essence !) Plus important encore, ces liaisons sont à la fois solides et flexibles.
5. PRÈS DE 20 POURCENTAGE DE VOTRE CORPS EST DU CARBONE.
May Nyman, professeur de chimie inorganique à l’Université d’État de l’Oregon à Corvallis, Oregon dit à Mental Floss que le carbone a une portée presque incroyable. « Il est à l’origine de toutes les formes de vie, et dans le nombre de substances qu’il fabrique, les graisses, les sucres, il y a une énorme diversité », dit-elle. Il forme des chaînes et des anneaux, dans un processus que les chimistes appellent la caténation. Tout être vivant est construit sur un squelette de carbone (avec de l’azote, de l’hydrogène, de l’oxygène et d’autres éléments). Ainsi, les animaux, les plantes, toutes les cellules vivantes et, bien sûr, les êtres humains sont le produit de la caténation. Notre corps est composé de 18,5 % de carbone, en poids.
Et pourtant, il peut aussi être inorganique, dit Nyman. Il s’associe à l’oxygène et à d’autres substances pour former de grandes parties du monde inanimé, comme les roches et les minéraux.
6. NOUS N’EN AVONS DÉCOUVRÉ DEUX NOUVELLES FORMES QUE RÉCEMMENT.
Le carbone se présente sous quatre formes principales : le graphite, les diamants, les fullerènes et le graphène. « La structure contrôle les propriétés du carbone », explique Nyman. Le graphite (« la pierre à écrire ») est constitué de feuilles de carbone faiblement reliées entre elles et formées comme du grillage à poules. Pour écrire quelque chose au crayon, il suffit en fait de gratter des couches de graphite sur du papier. Les diamants, en revanche, sont liés de manière tridimensionnelle. Ces liaisons exceptionnellement solides ne peuvent être rompues que par une énorme quantité d’énergie. Parce que les diamants ont beaucoup de ces liens, cela en fait la substance la plus dure sur Terre.
Les follerènes ont été découverts en 1985 lorsqu’un groupe de scientifiques a fait sauter du graphite avec un laser et que le gaz de carbone résultant s’est condensé en molécules sphériques de 60 et 70 atomes, inconnues jusqu’alors. Elles ont été nommées en l’honneur de Buckminster Fuller, l’inventeur excentrique qui a créé des dômes géodésiques avec cette composition semblable à un ballon de football. Robert Curl, Harold Kroto et Richard Smalley ont reçu le prix Nobel de chimie en 1996 pour avoir découvert cette nouvelle forme de carbone.
Le plus jeune membre de la famille du carbone est le graphène, découvert par hasard en 2004 par Andre Geim et Kostya Novoselov lors d’une recherche impromptue. Les scientifiques ont utilisé du scotch – oui, vraiment – pour soulever des feuilles de carbone d’un atome d’épaisseur d’un morceau de graphite. Le nouveau matériau est extrêmement fin et résistant. Résultat : le prix Nobel de physique en 2010.
7. LES DIAMANTS NE SONT PAS APPELES « GLACE » EN RAISON DE LEUR APPARENCE.
Les diamants sont appelés « glace » parce que leur capacité à transporter la chaleur les rend frais au toucher – et non à cause de leur apparence. Cela les rend idéaux pour être utilisés comme puits de chaleur dans les micropuces. (Les diamants synthétiques sont les plus utilisés.) Là encore, la structure tridimensionnelle en treillis des diamants entre en jeu. La chaleur est transformée en vibrations du réseau, qui sont responsables de la très haute conductivité thermique des diamants.
8. IL NOUS AIDE À DÉTERMINER L’ÂGE DES ARTIFACTS – ET À PROUVER QUE CERTAINS D’ENTRE EUX SONT FAUSSES.
Le scientifique américain Willard F. Libby a remporté le prix Nobel de chimie en 1960 pour avoir mis au point une méthode de datation des reliques par l’analyse de la quantité d’une sous-espèce radioactive du carbone qu’elles contiennent. La datation au radiocarbone ou C14 mesure la désintégration d’une forme radioactive de carbone, le C14, qui s’accumule dans les êtres vivants. Elle peut être utilisée pour des objets dont l’âge peut atteindre 50 000 ans. La datation au carbone a permis de déterminer l’âge d’Ötzi l’homme des glaces, un cadavre de 5300 ans retrouvé congelé dans les Alpes. Elle a également permis d’établir que la table ronde de Lancelot, dans la cathédrale de Winchester, a été fabriquée des centaines d’années après la supposée époque arthurienne.
9. TROP D’IL CHANGE NOTRE MONDE.
Le dioxyde de carbone (CO2) est une partie importante d’une couverture gazeuse qui entoure notre planète, la rendant suffisamment chaude pour maintenir la vie. Mais la combustion de combustibles fossiles – qui sont construits sur un squelette de carbone – libère davantage de dioxyde de carbone, ce qui est directement lié au réchauffement de la planète. Un certain nombre de moyens d’éliminer et de stocker le dioxyde de carbone ont été proposés, notamment la bioénergie avec capture et stockage du carbone, qui consiste à planter de grands peuplements d’arbres, à les récolter et à les brûler pour créer de l’électricité, puis à capturer le CO2 créé au cours du processus et à le stocker dans le sous-sol. Une autre approche envisagée consiste à rendre artificiellement les océans plus alcalins afin de leur permettre de fixer davantage de CO2. Les forêts sont des puits de carbone naturels, car les arbres capturent le CO2 pendant la photosynthèse, mais l’activité humaine dans ces forêts contrecarre et dépasse les gains de capture de CO2 que nous pourrions obtenir. En bref, nous n’avons pas encore de solution à la surabondance de C02 que nous avons créée dans l’atmosphère.