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Accueil > Science pour tous > 2019 - Année internationale du tableau périodique des éléments > Archives des éléments présentés

Carbone

Le carbone est, avec l’hydrogène, l’élément donnant le plus grand nombre de composés chimiques. Il est notamment l’élément à la base de la constitution des molécules du vivant. Mais il donne aussi de nombreux matériaux inertes.

Étymologie  : du latin « carbo(onis) » (charbon)

Origine  : Le carbone est créé par réaction thermo-nucléaire au coeur des étoiles : une fois l’hydrogène brûlé (transformé en hélium), le cœur de l’étoile est suffisamment chaud pour déclencher la transformation d’hélium en éléments plus lourds, en particulier en carbone (réaction triple alpha).

Historique  : Les différentes formes du carbone, le charbon, le diamant et le graphite, sont connus depuis l’antiquité. Mais c’est Lavoisier, en 1789, qui prouvent que charbon et diamant sont tous les deux constitués du même élément qu’il nomme alors carbone.

Le carbone dans la vie courante  : datation au carbone 14 (14C)

Portion restante de carbone 14 en fonction du temps - Crédit : Institut UTINAM

Le carbone possède plusieurs isotopes dont les principaux sont le carbone 12 (98,93 %), le carbone 13 (1,11 %) et le carbone 14 (<0,01%). Contrairement à 12C et 13C qui sont stables, 14C est radioactif. Sa période de ½ vie, c’est-à-dire le temps pour lequel la moitié des atomes de 14C d’un échantillon s’est désintégrée, est de 5730 ans. Comme tout isotope du carbone, 14C se combine avec l’oxygène pour former du dioxyde de carbone. Ce C02 est assimilé par les organismes vivants par la respiration, la photosynthèse et l’alimentation. La teneur de ces organismes en 14C est donc constante et égale à la teneur naturelle (< 0,01 %). Lorsqu’ils meurent les organismes n’assimilent plus de C02, la quantité de 14C décroit alors par désintégration au cours du temps. La datation repose sur la détermination des proportions de 12C et 14C. Cette technique est fiable pour dater des objets de nos jours à – 50 000 ans.

Le carbone à l’Institut UTINAM  :

Structure carbonée modélisant une nanoparticule de suie. Cliché issu d’une simulation par dynamique moléculaire.
Crédit : Sylvain Picaud - Institut UTINAM

Le carbone étudié au sein de l’Institut UTINAM est, par exemple, celui qui entre dans la composition de la suie, résidu solide formé lors des processus de combustion. La suie est constituée d’agglomérats de nanoparticules presque sphériques, comprenant principalement carbone et hydrogène à leur naissance, puis pouvant comporter également d’autres types d’atomes dont l’oxygène après vieillissement dans l’atmosphère. Les nanoparticules de suie sont susceptibles d’avoir un impact sur la santé et le climat, mais leur influence exacte est encore très mal connue. De nombreuses équipes de recherche s’y intéressent donc, en utilisant des approches variées, allant de la mesure de terrain à la modélisation informatique, en passant par les études expérimentales de laboratoire. Au sein d’UTINAM, ce sont des modèles numériques qui permettent de caractériser, à l’échelle atomique, les suies, leur interaction avec les molécules atmosphériques environnantes et leur interaction avec le rayonnement électromagnétique. UTINAM participe ainsi au groupement de recherche national (GDR) SUIE du CNRS, qui regroupe une quarantaine d’équipes française dont les travaux de recherche sont consacrés à la suie (la direction de ce GDR est actuellement assurée par un chercheur d’UTINAM).

Par ailleurs, les astrophysiciens d’UTINAM étudient l’évolution de la composition en carbone au coeur des étoiles géantes rouges. Avec des modèles stellaires sophistiqués, il est possible de mettre en évidence la transformation du carbone en azote au long de l’évolution de l’étoile géante. En contrepartie, quand on observe la composition en carbone et azote de ces étoiles par spectroscopie, on peut en déduire à quel stade évolutif elle se trouve et parfois même son âge.