1 20 1 Couche Diamant Composition

Le diamant fascine l’Homme depuis toujours car il symbolise la pureté et l’éternité. C’est pour cela qu’un diamant est traditionnellement offert lors des fiançailles, afin de prouver son engagement. Son nom vient du grec « adamas » qui signifie « indomptable ».

Structure du diamant

Les propriétés d’un solide dépendent de l’arrangement de ses atomes et de la manière dont ils sont liés entre eux.

Le diamant est un minéral chimiquement constitué de carbone avec, parfois, des traces d’azote (jusqu’à 0,20 % pour les diamants jaunes) et une proportion infinitésimale d’éléments étrangers.

On considère que le cristal de diamant est formé par la répétition et l’empilage dans les trois directions de l’espace d’atomes de carbone ; il est possible de comparer cette structure à des tétraèdres cubiques dont le centre concentrerait la masse de l’atome et chacun des quatre sommets comporterait un électron. Chacun de ces atomes est lié aux autres par des liaisons très fortes et très courtes où chaque atome met un de ses électrons en commun avec un autre atome.

En E, on peut noter la juxtaposition du cube, de l’octaèdre et du dodécaèdre.

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Les liaisons atomiques du diamant étant très courtes et puissantes, expliquent l’une de ses principales caractéristiques: sa dureté.

Cette pierre possède donc une dureté égale à 10 sur une échelle de 10. Elle est composée d’atomes de carbone tout comme le charbon.

Les atomes de carbone dans le diamant sont disposés différemment : ils forment un polyèdre de façon bipyramidale (appelé octaèdre). Cette structure lui confère sa robustesse car les atomes de carbone sont beaucoup plus proches les uns des autres que dans le carbone graphite.

Cette distance entre les atomes est appelée liaison atomique et lorsque que celle-ci est forte et courte, le matériau est difficile à casser. De plus, le diamant est constitué en grande majorité de carbone ce qui lui permet de garder une structure organisée et une cohésion très importante.

Un diamant parfaitement pur sera composé uniquement d’atomes de carbone sous forme tétraédrique et sera donc incolore. Mais le diamant n’est pas tout à fait pur, certains atomes tels que le bore, l’hydrogène et l’azote se placent entre les atomes de carbone. La couleur bleu est causée par la présence de bore, le jaune correspond à la présence d’azote, la présence d’hydrogène peut apporter une couleur violette.

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Afin de mieux comprendre les différences entre le diamant et le graphite, on peut observer que le graphite, également composé de carbone, est cependant un minéral tendre car, bien que ses atomes soient fortement assemblés en couches planes, ses couches sont faiblement liées entre elles et très éloignées les unes des autres, glissant facilement l’une sur l’autre (ce qui explique les propriétés lubrifiantes des graisses graphitées).

Composition et formation du diamant

Le diamant est uniquement composé de carbone pur, ce qui fait de lui la pierre précieuse à la composition la plus simple. Pourtant, le processus au cours duquel il se forme est des plus complexes.

En effet, le diamant nait au plus profond de la Terre, entre 150 et 200 km sous la surface de la Terre. Les diamants remontent ensuite à la surface de la Terre lors d’éruptions volcaniques. Celles-ci ont eu lieu il y a des millions d’années, parfois des milliards d’années. La plupart des pierres sont incluses dans des roches appelées kimberlites.

Pour se former sous la structure diamant, les atomes de carbone doivent être soumis à une très forte température sous haute pression. Cet environnement extrême permet aux liaisons de créer une forme tétraédrique et non des feuillets. Le plus souvent, cette formation a lieu dans une roche appelée la Kimberlite. Ces conditions physico-chimiques existent à l’état naturel à plus de 100km sous la croute terrestre. Les diamants sont ensuite remontés vers la surface de la Terre grâce au magma.

Le diamant peut aussi être d’origine extra-terrestre.

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Les diamants naturels se forment dans des conditions extrêmes à plusieurs centaines de kilomètres dans le manteau terrestre à des pressions de plus de 5 gigapascals (50 000 fois la pression atmosphérique) et des températures de 900 °C à 1 400 °C.

Synthèse du diamant

Meilleur ami de la femme ou éternel, objet de convoitise par sa beauté, le diamant est aussi une pierre fascinante par ses propriétés physiques. Aussi, la découverte en 1793 de sa composition, du carbone pur, par Lavoisier marque-t-elle le début de l'épopée de sa synthèse. Cependant, il a fallu attendre le milieu du xxe siècle pour qu'enfin des chimistes réussissent à le fabriquer.

Dès lors, le diamant est devenu un matériau industriel dont la production annuelle atteint aujourd'hui plus de 400 millions de carats, soit 80 tonnes. Ses applications sont multiples : outils de coupe et d'usinage fondés sur les propriétés mécaniques du diamant, dispositifs optiques qui utilisent sa transparence et dispositifs électroniques qui exploitent notamment ses propriétés thermiques.

Des travaux pionniers aux procédés à grande échelle actuels, l'histoire de la synthèse du diamant est jalonnée d'échecs et de bonds en avant. Cette synthèse, qui requiert des pressions supérieures à 50 000 fois la pression atmosphérique, est principalement fondée sur la différence de solubilité du graphite et du diamant dans des solvants métalliques.

Les chimistes modernes, inspirés par une meilleure compréhension de la genèse naturelle du diamant, tentent d'en reproduire la formation dite hydrothermale : ils utilisent, en présence d'eau sous pression, divers composés carbonés, tels le méthane et le monoxyde de carbone, qui abondent dans la croûte terrestre.

Par ailleurs, l'élucidation de la composition et de la structure du diamant a ouvert la voie à la synthèse de matériaux dotés de caractéristiques mécaniques similaires, voire supérieures, à celles du diamant.

Premières tentatives de synthèse

La forte densité du diamant indiquait que l'emploi de la pression faciliterait sa synthèse. En 1880, le chimiste Écossais James Hannay est l'un des premiers à affirmer avoir synthétisé du diamant. Pour cela, il chauffait sous pression des produits organiques renfermant du carbone en présence de métaux alcalins dans des tubes de verre, puis métalliques scellés. Cependant, dans les conditions de pression et de température de l'expérience, ce matériau n'est pas stable.

Parmi les 80 expériences qu'il effectue, seules trois d'entre elles approchent le succès : le résidu obtenu contient quelques cristaux qui seront offerts au British Museum. Sont-ce bien des diamants? Ce n'est qu'en 1943 que leur analyse par diffraction des rayons X montre qu'il s'agit de diamants de type II, c'est-à-dire exempts d'impuretés d'azote, rares dans la nature.

En 1893, Henri Moissan, qui recevra le Prix Nobel de chimie en 1906, annonce avoir obtenu du diamant par une autre méthode, inspirée de l'étude de la météorite du Canyon du Diable découverte en 1891 en Arizona. En effet, celle-ci contenait du diamant piégé dans la masse métallique de la météorite.

Le procédé de Moissan consiste à emprisonner le liquide à cristalliser (contenant du fer et du carbone) dans une enveloppe de fonte solide obtenue par un brusque refroidissement ; en se solidifiant, la fonte augmente de volume (comme l'eau qui se transforme en glace), de sorte que la pression augmente dans l'«autocreuset» formé par la trempe. Au sein du creuset, le mélange est liquide, soumis à une pression et à une température élevées.

Là encore, les résultats de Moissan sont controversés, les cristaux microscopiques étant à l'époque mal caractérisés. Quelque 20 ans plus tard, Charles Parsons analyse les travaux de Hannay et de Moissan et conclut au caractère occasionnel de la synthèse du diamant. Dans le cas de Moissan, il argue que la pression obtenue dans le métal refroidit n'atteint qu'un gigapascal là où il en faudrait cinq fois plus.

Bien que peu probantes, ces premières tentatives de synthèse mettent en évidence la nécessité d'une pression et d'une température très élevées. Dès 1939, O. Leipunskii pressent que la transformation directe du graphite en diamant nécessite des pressions très élevées et propose l'utilisation de solvants métalliques dont nous verrons le rôle dans ce qui suit. Hélas, ses travaux publiés en russe ne sont pas lus.

La connaissance de ces textes aurait probablement fait de P. Bridgman, Prix Nobel en 1946 pour ses travaux sous hautes pressions, le «père» de la synthèse du diamant.

Synthèse moderne du diamant

En 1952, les ingénieurs de la Société asea, en Suède, poursuivent dans cette voie et mettent au point un générateur de hautes pressions, jusqu'à neuf gigapascals (90 000 bars), et de hautes températures. En utilisant un solvant métallique, tel le fer, la première conversion assistée par flux du graphite en diamant est obtenue le 13 février 1953. Toutefois, cette réussite se voulait secrète pour des raisons de stratégie industrielle.

Peine perdue : en février 1955, une équipe d'ingénieurs de la société General Electric, annonce la synthèse du diamant par la même méthode, la conversion assistée par flux métallique, à l'aide d'un équipement original générateur de hautes pressions. Cet appareil, nommé belt en raison de sa forme torique (belt signifie ceinture en anglais), maintient quand il est placé entre les deux plateaux d'une presse les conditions de pressions et de températures nécessaires à la stabilité du diamant. Ce type d'appareil est toujours utilisé aujourd'hui tant dans les laboratoires que chez les industriels producteurs de diamants.

Ils créent les pressions requises pour exploiter la différence de solubilité des formes du carbone (le graphite et le diamant) dans un solvant métallique enfermé dans une cellule où règne un gradient de température. Ce dernier, par des phénomènes de convection, crée un flux de métal à l'intérieur de la cellule.

Pour la synthèse de monocristaux de diamants, on utilise, au sein du dispositif belt, une cellule qui facilite le transport du carbone sur les germes de diamants. La base de la cellule contient des microcristallites de diamant, utilisés comme corps mères, qui constituent la source de carbone, alors que des germes de diamant sont placés en haut.

Le gradient de température, d'environ 100 °C (1 600 °C à la base et de 1 450 à 1 550 °C en haut), est ensuite appliqué au système sous une pression de 5,5 gigapascals. La solubilité du carbone près des germes est alors inférieure à celle près des corps mères : plus soluble en bas, le carbone véhiculé par le flux cristallise en haut sur les germes. Ainsi, le gradient thermique gouverne le transport du carbone et la croissance des germes.

Parfois, des métaux qui fixent l'azote pour former des nitrures, tel le titane, sont placés dans l'enceinte pour diminuer la quantité d'azote, l'impureté la plus fréquente dans le métal ou dans le graphite. Selon les conditions, la croissance des germes varie de un à cinq milligrammes par heure jusqu'à l'obtention de monocristaux de 5 à 20 carats pour le plus gros obtenu, soit un à quatre grammes. La synthèse dure parfois jusqu'à 500 heures.

Croissance hydrothermale

Certains géochimistes proposent un mécanisme de formation du carbone du diamant à partir du méthane (CH4). En 1971, R. Mitchell et J. Crocket ont proposé que la croissance se déroule en deux étapes : la formation de germes de diamant dans des conditions de hautes pressions et de hautes températures où ils sont stables puis, après migration de ces germes, leur croissance dans un flux de carbone et dans des conditions de pressions et de températures inférieures où le diamant est, paradoxalement, métastable.

Ces travaux sur la genèse du diamant naturel ont ouvert la voie à un nouvel axe de recherche : la croissance hydrothermale de ce matériau. Depuis les années 1990, de nombreux travaux confirment que le diamant peut être synthétisé par cette voie hydrothermale, en remplaçant le solvant métallique par des solvants contenant de l'eau, qui ressemblent plus aux fluides naturels. Par exemple, on a mis en évidence le rôle de l'eau dans la cristallisation du diamant à hautes pressions et à hautes températures.

La morphologie des cristaux obtenus, comparable à celle des diamants naturels, indique que les flux de molécules composées d'atomes de carbone, d'hydrogène et d'oxygène, tels l'eau ou le dioxyde de carbone, joueraient un rôle essentiel dans la genèse naturelle du diamant.

À la recherche de super-diamants?

À partir de la composition et des propriétés du diamant, des chimistes ont entrepris de fabriquer de nouveaux matériaux de structure comparable, notamment à l'aide d'éléments légers voisins du carbone, tels le bore, le carbone, l'azote… Le premier obtenu, en 1957, a été le nitrure de bore à structure cubique (NB), qui n'existe pas dans la nature. La cristallogénèse du nitrure de bore assistée par flux est analogue à celle du diamant.

Aussi, des chimistes ont-ils tenté de fabriquer des matériaux hybrides composés d'azote, de bore et de carbone. Cette synthèse requiert de hautes pressions et de hautes températures. Récemment, V. Solozhenko a obtenu la variété cubique de BC2N à partir de la variété graphitique dans des conditions expérimentales sévères (18 gigapascals et 1 500 °C) qui en réduisent les possibilités d'applications industrielles.

Parmi eux, les composés associant deux éléments de petite taille : le carbone et l'azote. Ces carbonitrures ont suscité un véritable engouement. Au sein du composé hypothétique C3N4, la distance entre deux atomes serait égale à 0,147 nanomètre, légèrement inférieure à celle dans le diamant (0,157 nanomètre).

Propriétés du diamant

Le diamant a une densité de 3,51, alors que celle du graphite, où les atomes de carbone sont agencés différemment, est égale à 2,2. Cette organisation, ainsi qu'une liaison chimique très forte due à la faible distance inter-atomique, lui confèrent une dureté, c'est-à-dire une résistance à la déformation, d'environ neuf tonnes par millimètre carré, soit 90 gigapascals.

Une autre propriété très importante est sa brillance. Elle est décuplée grâce à la taille du diamant. Cette propriété optique est due à son indice de réfraction qui est très élevé (2,4).

Le diamant doit sa dureté à son organisation cristalline : placés aux sommets d'un réseau cubique, les atomes de carbone sont distants de seulement 0,157 nanomètre.

Tableau des propriétés du diamant

Exploitation et commerce des diamants

De nos jours, des mines de diamants existent à différents endroits du globe, en Afrique, en Russie, au Canada et en Australie principalement. Jusqu’au 18ème siècle, des diamants étaient extraits dans les mines en Inde.

Puis, au début du 19ème siècle, des gisements au Brésil furent exploités ; et dans le dernier quart de ce siècle se sont développées les mines d’Afrique. La mine de Kimberley fût la plus exploitée de 1871 à 1908.

Les gisements primaires : les mines à ciel ouvert ou souterraines exploitent les diamants remontés par des cheminées volcaniques.

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