Diamant synthétique

Un diamant synthétique taillé, conçu avec la méthode CVD

Un diamant synthétique (aussi appelé diamant de synthèse ou diamant de culture) est produit en utilisant différentes techniques physiques et chimiques, visant à reproduire la structure des diamants naturels.

Les diamants synthétiques sont en janvier 2006 vendus à des prix de 10 % à 50 % inférieurs à ceux des diamants naturels. Leur production annuelle atteignait 3 milliards de carats (600 tonnes) et un montant d'un milliard de dollars, à comparer aux 130 millions de carats (26 tonnes) de l'extraction minière.

Histoire

Les joaillers préfèrent vendre un produit de luxe, donc rare. Ce n'est donc pas dans leur intérêt d'accroître la quantité disponible, ils ont fait de gros efforts pour éviter que les pierres de synthèse s'implantent sur le marché^{[réf. souhaitée]}. En revanche, l'industrie apprécie les matériaux durs, comme le diamant, le carbure de silicium, le carbure de tungstène, etc. La synthèse de diamant fut l'une des voies explorées dans cette recherche de matériaux durs.

Avec la découverte par Smithson Tennant en 1797 que le diamant est une forme cristalline du carbone s'ouvre la voie de la synthèse de ce matériau. Il faut attendre un peu moins d'un siècle pour que les premières expériences sérieuses commencent avec James Ballantyne Hannay en 1880 et Henri Moissan en 1893. L'expérience de Moissan ne semble pas avoir été concluante, ce dernier n'ayant obtenu que de la moissanite, autrement dit du carbure de silicium. Celle de Hannay est plus controversée, car il a été impossible de reproduire ses résultats. Plusieurs autres expériences ont lieu et seulement deux autres pourraient avoir été un succès. Celle de Otto Ruff en 1917 et celle de Willard Hersey en 1926. Ces expériences ne sont que des débuts hésitants de la synthèse du diamant, la première véritable synthèse a lieu dans les années 1950.

L'histoire ne reprend donc que le 16 février 1953 à Stockholm en Suède, lors du projet QUINTUS de l'entreprise d'électricité ASEA. La technique, conçue par Baltzar von Platen et le jeune ingénieur Anders Kämpe, sera gardée secrète. Un an plus tard, General Electric répète l'opération et publie ses résultats dans le magazine Nature. C'est à cette date qu'est officiellement reconnue la création du premier diamant synthétique.

À la fin des années 1950, De Beers ainsi que les Russes et les Chinois lancèrent la fabrication de diamants synthétiques pour l'industrie. Cela eut pour conséquence de faire chuter la valeur des diamants naturels destinés à l'industrie.

La première véritable utilisation des diamants de synthèse en joaillerie débute vers le milieu des années 1990. En janvier 2006, principalement deux entreprises se partagent le secteur :

• Gemesis (basée à Sarasota en Floride)
• Apollo Diamonds (basée à Boston dans le Massachusetts)

De nombreux autres sociétés se sont développées sur ce marché en forte expansion, depuis la fabrication jusqu'à leur utilisation dans divers procédés industriels (outillage, biotechnologie - voir infra applications), et de nouveau procédés pour fabriquer des nanodiamants pour les biotechnologies, l'electronique...

Techniques

Haute pression, haute température

La technique HPHT (en français Haute pression, haute température) consiste à faire un mélange de carbone (sous une forme abondante) et de métaux de transition (qui feront office de solvants) et à soumettre le tout à une très haute pression (environ 58 000 atmosphères) et température (environ 1 400 °C). La formation du diamant se fait alors par germination et croissance. Dans la méthode du gradient de température, un germe de diamant est inséré dans le réacteur avant la réaction.

Cette technique ne produit pour l'instant que des diamants de couleurs (jaune, orange, rose et bleu), qui ne sont pas purs.

Plusieurs entreprises, comme LifeGem ou Algordanza, utilisent cette technique pour réaliser des diamants composés du carbone issus des cendres de la crémation.

Dépôt chimique en phase vapeur

La technique CVD (en anglais Chemical vapor deposition; en français Dépôt chimique en phase vapeur) crée le diamant par couches successives. La méthode consiste à placer une couche de silice ou de diamant (substrat) dans une chambre où règne typiquement une pression d'un dixième d'atmosphère. De l'hydrogène et du méthane (gaz précurseurs) sont alors injectés et l'ensemble est par la suite ionisé à l'aide d'une décharge micro-onde (fréquence de 2,45 GHz). Un plasma est alors initié et les espèces qui en sont issues (ions, radicaux, etc. provenant des gaz initialement injectés) s'adsorbent sur le substrat. La formation d'une couche de diamant qui croît avec le temps a lieu après diffusion et réaction en surface des espèces réactives. Les diamants pourront être obtenus après découpe de cette couche ; cette dernière peut également servir telle quelle pour l'industrie microélectronique notamment.

Cette technique produit des diamants bien plus purs que ceux qui sont obtenus avec la HPHT. Mais elle produit des diamants moins résistants que la méthode HPHT.

Ethanol

Une autre technique permet d'appliquer une fine pellicule de diamants de synthèses sur un matériau pour le rendre plus résistant à l'usure. Cette technique utilise une solution composée de 40 % d'éthanol et 60 % d'eau. Cette solution est vaporisée et le gaz résultant chauffé à 800 °C pour les molécules carbonées, permettant alors la formation de diamants de tailles comprises entre 100 et 400 nm .

Le tequila (la boisson nationale mexicaine) étant composée en même proportion d'éthanol et d'eau, les trois chercheurs mexicains à l'origine de cette découverte ont ensuite démontré que l'utilisation de tequila blanche est possible, malgré les impuretés. Cette méthode bon marché semble offrir des perspectives intéressantes.

Différence avec les diamants naturels

Actuellement (janvier 2006), il est assez difficile de faire la différence entre un diamant synthétique et naturel^{[réf. nécessaire]}. Les diamants synthétiques restent de petite taille et ne peuvent certainement pas concurrencer le plus gros diamant brut du monde, le Cullinan, qui pèse 3 106 carats, soit 621 grammes.

Le géant du diamant naturel De Beers, développe plusieurs techniques pour détecter ces nouveaux diamants. Une de ces techniques est de détecter la forme de croissance du diamant, qui n'est pas la même que dans la nature. Ainsi, les diamants obtenus par la méthode HPHT créent des secteurs de croissances en forme de cubes. Certaines formes d'impuretés ne sont également pas présentes dans la nature.

La méthode CVD en revanche, produit des diamants plus difficilement différentiables des diamants naturels, car étant très purs, les impuretés et les zones de croissance cubique sont moins distinguables. Cependant, la pureté quasi parfaite des diamants produits par la méthode CVD peut être un indice, induisant ainsi de la méfiance quant à l'origine du diamant.

Applications

Les diamants synthétiques sont attractifs par leur faible prix en joaillerie, mais ils restent souvent trop petits. En outre, un conflit les oppose aux diamants naturels.

Les applications principales sont dans l'industrie :

• Fabrication d'outils : meules, limes, rayonneurs, rodage, découpe, abrasifs, polissage. Les diamants sont selon les applications taillés, fixés, englués, ou mis en suspension dans un silicone colloïdale.
• Amélioration de matériaux : l'ajout de nanodiamants (en faible quantité : 0,5 à 1,5 %), souvent fonctionnalisé ou attachés à un matrice (polymères) en améliore la résistance à l'abrasion et la dureté. L'augmentation de la résistance est obtenue aussi par dépôt sur des surface métalliques (électroplaques).
• Biomédical : polissage dentaire

Une application en développement important concerne les biotechnologies: les nanodiamants ont été utilisés :

• pour véhiculer des toxines, ou le PEI800 contre le cancer
• pour de l'imagerie médicale fluorescente, avec des inclusion d'azote, et de la thérapie du cancer par échauffement sous irradiation électromagnétique
• pour mesurer la température in vivo, à 0,05 °K près

Appellation en France

En France, l'usage commercial pour de tels diamants oblige les vendeurs à utiliser le terme "synthétique", de manière à ne pas tromper le client.

Voici un extrait du décret 2002-65 du 14 janvier 2002 relatif au commerce des pierres gemmes et des perles :

« Art. 4 : Les qualificatifs suivants complètent respectivement la dénomination des matières et produits mentionnés ci-dessous :
(...)
- "synthétique" pour les pierres qui sont des produits cristallisés ou recristallisés dont la fabrication provoquée totalement ou partiellement par l'homme a été obtenue par divers procédés, quels qu'ils soient, et dont les propriétés physiques, chimiques et dont la structure cristalline correspond pour l'essentiel à celles des pierres naturelles qu'elles copient;
(...)
L'emploi des termes : "élevé", "cultivé", "de culture", "vrai", "précieux", "fin", "véritable", "naturel" est interdit pour désigner les produits énumérés au présent Article. (...) »

Voir aussi

• Diamant
• Gemme
• Faux minéraux et fossiles
• L'Étoile du sud, roman de Jules Verne mettant en scène un chimiste cherchant à réaliser un diamant de synthèse

Source de l'article

• Des diamants plus vrais que nature, de Sylvie Rouat, Sciences et Avenir de janvier 2006