Sciences & Techniques: Les secrets du diamant

« Forme cristalline cubique du carbone, le diamant peut contenir des traces d'azote (jusqu'à 0,2 %), de bore et des inclusions, pour laplupart infimes, d'hydrogène, d'oxygène, de soufre, de calcium, de magnésium, d'aluminium, de fer...

- en tout, une vingtained'éléments. Le graphite, à la composition chimique identique, est lui aussi, une forme cristalline du carbone, mais hexagonale.

La différence entrele diamant, le plus dur de tous les minéraux, et le graphite, tendre et friable - la mine du crayon - est une question de structure etd'énergie. Dans le diamant, chaque atome de carbone est entouré de quatre autres atomes, dont les centres sont distants de 1,54 angström (1), maintenus par des liaisons chimiques fortes : les liaisons covalentes (une paire d'électrons communs). Dans le graphite, les atomes sont rangés en hexagones contenus dans un même plan, à une distance de 1,42 angström.

En général,les liaisons courtes entre atomes donnent les matériaux les plus durs.

A l'exception du graphite, dont les couches plates de carbone,disposées en sandwich, sont reliées par des liaisons faibles, qui rendent leur déplacement facile.

Le crayon s'écrase sur le papier,tandis que le diamant raye tous les matériaux connus. La dureté du diamant est telle que seuls les déchets ou la poudre de diamant peuvent le scier, le " débruter ", le tailler et le polir.

Leslois de la physique quantique permettent d'expliquer cette propriété.

Elles définissent les notions d'absorption et de libération d'énergiepar les atomes et les molécules : un électron passe à une orbite de haute énergie lorsqu'il absorbe de l'énergie électromagnétique.Quand il retombe à une orbite d'énergie plus basse, il émet de l'énergie. Le modèle quantique donne également une idée de la façon dont les atomes s'unissent pour former des molécules.

Des liaisons chimiques s'établissent lorsque les nuages d'électrons de deux atomes réagissent entre eux : ils peuvent alors former un seul nuage,commun aux deux noyaux atomiques.

Lors de la formation de solides, les électrons extérieurs jouent un rôle prépondérant dansl'établissement des liaisons, le noyau et les électrons en orbite intérieure restant, eux, à peu près inertes. Des pierres vieilles de 3,3 milliards d'années Entre le graphite et le diamant, la différence est aussi une question d'énergie.

La formation des cristauxobéit aux lois de la thermodynamique, à savoir que leur structure sera celle que permet l'énergie la plusfaible, compte tenu des conditions de température et de pression.

Il faut beaucoup d'énergie pour que lecarbone cristallise en diamant, phase thermodynamiquement stable du carbone sous une pression dequelques dizaines de milliers d'atmosphères et à une température de plus de 1 000 degrés. Les liens qui unissent les carbones du diamant renferment beaucoup plus d'énergie que les liens du graphite.

Le facteur temps est également déterminant : les cristaux ne se forment pas instantanément, mais " poussent ", chaque treillis d'atomes s'ajoutant auprécédent. Peut-on connaître l'âge d'un diamant ? S'il ne comporte pas d'inclusions, c'est-à-dire s'il est fait de carbone pur, c'est impossible.

Dansce cas, il ne possède pas d'éléments radioactifs permettant de le dater par des techniques géochronologiques comme la méthodeuranium-plomb (U-Pb), qui établit l'âge d'un échantillon en mesurant la dégradation de l'uranium en plomb. En revanche, si le diamant contient des inclusions : grenat, olivine ou péridot, pyroxène (qui sont tous des silicates), composés duchrome, etc., on pourra déterminer son âge.

On sait ainsi que les diamants les plus jeunes, ceux du Botswana, ont environ 1 milliardd'années, et les plus vieux, ceux d'Afrique du Sud, 3,3 milliards d'années (près des trois quarts de l'âge de la Terre ).

Les inclusions contenues dans certains diamants fournissent des informations sur les tréfonds de la Terre, qui viennent compléter les enseignementsapportés par l'étude des variations de la propagation des ondes sismiques.

On peut se représenter notre planète comme un ensemblede sphères emboîtées : de l'extérieur vers l'intérieur, la croûte (ou écorce), relativement légère et froide, épaisse d'une cinquantaine dekilomètres ; puis le manteau, couche rocheuse hétérogène de près de 3 000 km ; enfin le noyau métallique, dense et chaud, de 3 500km de rayon, à peu près aussi gros que la planète Mars.

Les diamants se constituent dans le manteau supérieur, à des profondeursde 150 à 300 km, dans des roches plus anciennes, comme la péridotite et l'éclogite, formées à très haute pression, sans doute àpartir du basalte. Les diamants ne sont donc pas contemporains des roches éruptives dans lesquelles on les trouve.

Ces roches sont en fait des "véhicules ", qui ont emprunté des brèches en forme de cône étroit renversé (une " pipe " qui peut plonger à plus de 2 km sous lasurface) et sont remontées à la surface à la vitesse fantastique d'au moins Mach 2 lors d'une explosion terrestre.

La kimberlite, dunom de la ville de Kimberley, en Afrique du Sud, est le premier type de roche éruptive où a été décelé du diamant. Outre la dureté, le diamant se caractérise par son éclat, dû à ses propriétés optiques exceptionnelles, notamment son indice deréfraction : 2,4 (par comparaison, l'indice de réfraction de l'air est de 1,0002, celui de l' eau de 1,333 et celui du verre de 1,5 à 1,6).. »