Diamant synthétique
Principe des diamants de synthèse
Cristallisation du diamant
La cristallisation contrôlée du diamant suppose la réalisation simultanée, durant un temps suffisamment long, de pression de 50 000 à 100 000 atmosphères (cela correspondrait à la pression exercée sur 1cm2 par la masse de la tour Eiffel !) et de températures de 1500 à 2000 °C, afin de se placer dans la zone de stabilité du diamant.
Le graphite étant métastable dans ces conditions, un catalyseur est nécessaire pour favoriser cette cristallisation.
Le fer, le nickel, le cobalt, le tantale sont en effet les éléments les meilleurs.
Les hautes pressions sont obtenues par des appareils dits belts (ceintures), car ils comportent deux étages de pistons. Le volume utile de la cellule de pression, originellement de quelques centimètres cubes, peut atteindre actuellemen quelques dizaines de centimètres cubes. La température peut être produite soit par un courant électrique, soit par une réaction chimique.
Diminution de la température du diamant
Une fois le diamant cristallisé, il faut le refroidir à une température proche de la température ambiante avant de lâcher la pression(sinon il se transformerait en graphite). Les cristaux obtenus sont nombreux et petits, de l'ordre d'une fraction de millimètre, car les conditions de croissance sont rapides (0,2mm/h).
Équation des facteurs de production
Pour obtenir de gros cristaux, il faut pouvoir contrôler précisément tous les facteurs et donc éviter la légère chute de pression qui suit la cristallisation du diamant. Il est nécessaire d'utiliser comme matériel de départ de l'égrisée (Poudre de diamant soit naturel, soit synthétique, utilisée comme abrasil) dont la carbone migrera lentement à travers le métal catalyseur sur le monocristal (Cristal homogène dont les plans réticulaires ont une orientation uniforme dans tout le volume) en formation.
La réalisation pratique des conditions optimales, à la limite de la zone de stabilité du diamant, est délicate. il arrive qu'au lieu denourrir le monocristal désiré, croissant d'environ 40 um/h, l'égrisée se transforme en graphite.
Premières expériences sur le diamant synthétique
De nombreux expérimentateurs essayèrent, dès le XIXe siècle, de réaliser la synthèse du diamant. Certains crurent réellement avoir réussi à obtenir des microcristaux mais d'autres abusèrent la crédulité publique.
L'expérience manquée d'Henri Lemoine
Ainsi, en 1908, Henri Lemoine fut convaincu de fraude dans ses expériences car il produisait des diamants de Jagersfontein, et fut condamné à six ans de prison pour avoir indûment obtenu un financement de sir Julius Wernher, banquier sud-africain, administrateur de la De Beers Consolidated Mines.
L'audace d'hannay
L'imagination et l'audace de ceux qui ont réussi nous étonnent encore aujourd'hui. Hannay, chimiste anglais, scellait en 1880 des tubes d'aciers emplis de paraffine, d'huile d'os et de lithium qu'il portait ensuite au rouge pendant plusieurs heures, afin d'obtenir une forte pression intérieure. La plupart explosèrent, mais trois livrèrent de petits cristaux aujourd'hui au British Museum. Leur nature est toujours controversée (diamant mélangé à de la silice, ou silice seule?)
La tentative de Parsons
Un autre Anglais, Parsons, utilisait l'écrasement d'une balle de fusil dans une cavité pour y obtenir hautes températures et pressions. Les physiciens ont calculé qu'il atteignait 305 000 atmosphères et 17 000 °C, mais non simultanément et pendant quelques nanosecondes. C'est pourquoi ses expériences ne furent pas couronnées de succès.
Le moissanite d'Henri Moissan
Le Français Henri Moissan utilisa le four électrique pour dissoudre du carbone dans divers métaux, dont le fer pur. Par un brusque refroidissement du métal, il réalisait de fortes pressions et obtenait des microcristaux très durs qui furent considérés plus tard comme du carbure de silicium, nommé depuis moissanite en son honneur.
Égrisée synthétique
Cristallisation du diamant
C'est seulement depuis la seconde moitié du XXe siècle que les progrès réalisés dans l'obtention simultanée des hautes pressions et des hautes températures ont permis la cristallisation du diamant.
Apparition des diamants synthétiques en 1953
La firme suédoise ASAE (Allmassa Svenska Elektriska Aktiebolaget) obtenait le 15 novembre 1953 ses 14 premiers diamants synthétiques sous une pression de 97 000 atmosphères et une température de 2700 °C. L'année suivante, le 16 décembre 1954, la firme américaine General Electric, qui poursuivait des recherches parallèles, connaissait à son tour le succès et brevetait son procédé.
En 1957, elle fabriquait 100 000 carats d'égrisée synthétique, dont la commercialisation débutait en 1958. Cela conduisit la société De Beers à entreprendre ses propres recherches, couronnées de succès en septembre 1958. Elle installait dès 1959 près de Johannesburg une presse pour produire commercialement l'égrisée synthétique.
En 1963, elle ouvrait une usine de diamant synthétique à Shannon, en Irlande, et passait en 1967 des accords avec A.S.A.E.
Le monopôle de General Electric
D'un prix initialement deux fois plus élevé que l'égrisée naturelle, l'égrisée synthétique devient compétitive en 1965. Actuellement, General Electric fabrique la moitié environ des diamants synthétiques obtenus dans le monde.
De Beers et ASAE
De Beers et ASAE confondus sont le deuxième producteur mondial. La Hollande, la Tchéquie, le Japon, la Chine et la Russie en fabriquent aussi.
Un marché prometteur
La production mondiale fut en 1980 de l'ordre de 100 millions de carats (20t), soit deux fois et demi la production annuelle mondiale de diamant naturel (de joaillerie et industriel). Cette croissance de la production se poursuit.
Macrocristaux synthétiques
Cristaux de diamant gemme
En 1970, General Electric a réalisé une expérience de prestige. Obtenir une dizaine de cristaux de diamant de qualité gemme pesant 1 carat. Quelques-uns furent taillés et donnèrent des pierres en taille brillant de 0,26 à 0,46 carat, de couleur blanc extra (F) à blanc nuancé (J) et de propreté allant jusqu'à VS (très petites inclusions).
Trois diamants synthétiques taillés d'un tiers de carat chacun, respectivement incolore, jaune et bleu, ainsi qu'un diamant synthétique brut de 1 carat ont été offertés à la Smithsonian Institution de Washington.
À partir de 1985, la firme japonaise Sumitomo Electric Industries a proposé sur le marché industriel des macrocristaux de diamant synthétique jaune, en forme de lames épaisses atteignant 5 à 6 carats. Certains, taillés (taille émeraude, taille brillant)pour la joaillerie, peuvent peser jusqu'à 4 carats.
La production de ces synthèses s'est développée de par le monde. De Beers de Johannesburg a obtenu un cristal de diamant synthétique d'environ 15 carats en 1990. Le diamant synthétique gemme incolore est également devenu compétitif et se rencontre depuis 1993 sur le marché de la joaillerie.
La firme américaine est même en mesure de produire du diamant synthétique isotopiquement pur depuis 1991. Le diamant synthétique peut ensuite être irradié puis traité thermiquement pour lui donner une couleur commercialement recherchée (le rarissime rouge notamment).
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