DIAMANT
Diamant de synthèse
On désigne par synthèse du diamant le processus qui permet de transformer du carbone ou un produit carboné en diamant (fig. 2). Cette opération est réalisée à l'échelle industrielle par quatre firmes commerciales : A.S.E.A. (Suède), De Beers (Afrique du Sud), General Electric (États-Unis) et Tomel (Japon) ; leur production annuelle avoisine 100 millions de carats, soit environ 20 tonnes. Ces diamants synthétiques sont de petite taille (env. 0,5 mm) et sont utilisés pour l'usinage de matériaux très durs.
Percy Bridgman
Keystone/ Hulton Archive/ Getty Images
Après que le chimiste américain Smithson Tennant eut démontré en 1797 que le diamant n'était qu'une forme particulière du carbone, de nombreux scientifiques tentèrent de fabriquer des diamants à partir du carbone ou de composés riches en carbone. Pendant 150 ans, de multiples expériences furent réalisées par des chimistes comme J. B. Hannay en 1880 et H. Moissan en 1894, mais elles n'aboutirent qu'à des résultats impossibles à reproduire ou à des échecs, comme celles de C. A. Parsons en 1907-1920. En 1941, les multinationales General Electric, Carborundum et Norton demandèrent à P. W. Bridgman, physicien américain, d'entreprendre des recherches sur la fabrication des diamants. Ce dernier soumit du graphite à des pressions de plus en plus élevées (> 100 kbar, 106 Pa) au moyen d'une presse qu'il avait inventée, mais ces essais n'aboutirent pas. L'analyse ultérieure de ces expériences a montré que P. W. Bridgman avait fréquemment atteint des pressions correspondant au domaine de stabilité du diamant, malheureusement le graphite n'était pas à une température suffisamment élevée pour que la transformation puisse s'effectuer. On comprend les difficultés expérimentales de cette entreprise si l'on compare les structures cristallographiques du graphite et du diamant. Le graphite est formé par un empilement de couches atomiques distantes les unes des autres de 0,335 nm, chacune de ces couches étant constituée par des atomes de carbone disposés aux sommets d'hexagones dont les côtés ont pour longueur 0,142 nm. Cette configuration géométrique correspond à une hybridation des orbitales électroniques du type sp2. Quant au diamant, sa structure est du type cubique et les atomes sont distants de 0,142 nm. Cette configuration résulte d'une hybridation des orbitales du type sp3. Pour transformer le graphite en diamant, il faut donc rapprocher les couches au moyen de la pression et apporter de l'énergie sous forme thermique pour faire passer les atomes de l'état sp2 à l'état sp3. Ce ne fut qu'en 1953 que ces deux conditions expérimentales furent satisfaites par H. Liander et E. Lundblad, mais cette équipe qui travaillait en Suède dans les laboratoires A.S.E.A. ne publia pas ses résultats et ne put revendiquer la paternité de cette synthèse ; cette paternité fut attribuée à un groupe de chercheurs de la General Electric, constitué par F. P. Bundy, H. T. Hall, H. M. Strong, R. H. Wentorf, A. J. Nerad et J. E. Cheney, qui, en 1955, réussirent à fabriquer des diamants de façon reproductible.
La synthèse du diamant sous pression statique
La figure 3 représente le diagramme (P.T.) du carbone tel qu'il a été proposé par F. P. Bundy en 1962. Sur ce diagramme, la droite A délimite les domaines de stabilité du graphite et du diamant. Pour synthétiser des diamants, il faut soumettre le carbone à des pressions et des températures qui le placent au-dessus de cette droite dans les régions B, C ou D. La région B correspond aux conditions expérimentales réalisées dans les installations industrielles. Celles-ci sont constituées par des appareils qui permettent de générer, pendant plusieurs heures, des pressions supérieures à 60 kbar (66 Pa) et des températures dépassant 1 300 0C. La[...]
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Écrit par
- René COUTY : chargé de recherche au C.N.R.S., département des hautes pressions à l'université de Paris-VI-Pierre-et-Marie-Curie
- Yves GAUTIER
: docteur en sciences de la Terre, concepteur de la collection
La Science au présent à la demande et sous la direction d'Encyclopædia Universalis, rédacteur en chef de 1997 à 2015 - Henri-Jean SCHUBNEL
: docteur ès sciences, maître assistant au Muséum national d'histoire naturelle de Paris, conservateur des collections minéralogiques au Muséum d'histoire naturelle de Paris, directeur général de la revue
Gemmologie
Classification
Médias
Diamant : formes cristallines
Encyclopædia Universalis France
Collier de Napoléon Ier
Bridgeman Images
Diamant
C. Bevilacqua/ De Agostini/ Getty Images
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