Diamant, comme le graphite, est une forme spéciale de carbone. Sa structure cristalline cubique et ses fortes liaisons chimiques lui confèrent sa dureté unique. Pour des milliers d'années, il a également été recherché à la fois comme un outil et comme une chose de beauté. Ce n'est que dans les années 1950 qu'il est devenu possible de produire artificiellement des diamants pour la première fois.

La plupart des diamants naturels se forment dans le manteau terrestre à des profondeurs d'au moins 150 kilomètres, où règnent des températures supérieures à 1500 degrés Celsius et des pressions extrêmement élevées de plusieurs gigapascals, soit plus de 10 000 fois celles d'un pneu de vélo bien gonflé. Il existe différentes théories sur les mécanismes exacts qui sont responsables de leur formation. Le matériau de départ est des masses fondues riches en carbonates, c'est-à-dire des composés de magnésium, du calcium ou du silicium qui sont riches à la fois en oxygène et en carbone.

Une nouvelle voie pour la formation des diamants

Parce que les processus électrochimiques ont lieu dans le manteau terrestre et que les fontes et les liquides qui y existent peuvent avoir une conductivité électrique élevée, des chercheurs dirigés par Yuri Palyanov de l'Institut de géologie et de minéralogie V. S. Sobolev SB de l'Académie des sciences de Russie de Novossibirsk ont ​​développé un modèle pour la formation de diamants dans lequel les champs électriques très localisés jouent un rôle central. Selon cette conception, appliquer moins d'un volt, une tension inférieure à celle fournie par la plupart des batteries domestiques, fournit des électrons qui déclenchent un processus de transformation chimique. Ces électrons disponibles permettent à certains composés carbone-oxygène des carbonates de devenir du CO 2 par une série de réactions chimiques, conduisant finalement à du carbone pur sous forme de diamant.

Pour tester leur théorie, l'équipe de recherche russe a développé une installation expérimentale sophistiquée :une capsule de platine de la taille d'un millimètre était entourée d'un système de chauffage qui à son tour était placé dans un appareil à haute pression nécessaire pour produire d'immenses pressions allant jusqu'à 7,5 gigapascals. Minuscule, électrodes soigneusement construites conduites dans la capsule, qui avait été rempli de poudres de carbonate ou de carbonate-silicate. De nombreuses expériences ont été menées à des températures comprises entre 1300 et 1600°C, dont certains ont duré jusqu'à 40 heures.

Les diamants ne poussent qu'avec la tension

Les expériences menées à Novossibirsk ont ​​montré, comme prédit, que de minuscules diamants poussent à proximité de l'électrode négative pendant plusieurs heures, mais cela n'arrivait que lorsqu'une petite tension était appliquée; un demi-volt suffisait déjà. Avec un diamètre atteignant un maximum de 200 micromètres, soit un cinquième de millimètre, les cristaux nouvellement créés étaient plus petits qu'un grain de sable typique. Par ailleurs, comme prévu, l'autre graphite minéral à base de carbone pur s'est formé lors d'expériences menées à des pressions plus basses. Une autre preuve du nouveau mécanisme est venue lorsque le chercheur a inversé la polarité de la tension - des diamants ont ensuite poussé sur l'autre électrode, exactement comme prévu. Sans qu'aucune tension ne soit fournie depuis l'extérieur de la capsule, ni graphite ni diamant ne se sont formés. A proximité des diamants, d'autres minéraux associés au manteau profond de la Terre ont également été trouvés.

"Les installations expérimentales de Novossibirsk sont absolument impressionnantes, " dit Michael Wiedenbeck, responsable du laboratoire SIMS au GFZ, qui fait partie de l'infrastructure modulaire des sciences de la Terre (MESI) de Potsdam. Il coopère avec les chercheurs russes depuis plus de dix ans; il avec l'ingénieur de laboratoire SIMS Frédéric Couffignal, analysé les diamants produits par leurs collègues russes. Afin de déterminer si la théorie de Yuri Palyanov sur la formation du diamant est tout à fait correcte, la composition isotopique des diamants a dû être caractérisée très précisément.

Analyse de précision "made in Potsdam"

Les chercheurs de Potsdam ont utilisé à cette fin la spectrométrie de masse à ions secondaires (SIMS). L'instrument de Potsdam est un spectromètre de masse hautement spécialisé, fournir aux géoscientifiques du monde entier des données de haute précision à partir d'échantillons extrêmement petits. "Avec cette technologie, nous pouvons déterminer la composition de zones minuscules sur des échantillons submillimétriques avec une grande précision, " dit Wiedenbeck. Ainsi, moins d'un milliardième de gramme d'un diamant produit en laboratoire a dû être retiré à l'aide d'un faisceau d'ions ciblé très précisément. Des atomes chargés électriquement ont ensuite été injectés dans un appareil de six mètres de long qui séparait chacun des milliards de particules en fonction de leur masse individuelle. Cette technologie permet de séparer les éléments chimiques, et en particulier il est possible de distinguer leurs variantes plus légères ou plus lourdes appelées isotopes. "De cette façon, nous avons montré que le rapport entre les isotopes de carbone 13C à 12C se comporte exactement selon le modèle développé par nos collègues de Novossibirsk. Avec cela, nous avons contribué à la dernière pièce du puzzle, pour ainsi dire, pour confirmer cette théorie, " dit Wiedenbeck. Cependant, il faut noter que cette nouvelle méthode n'est pas adaptée à la production en série de gros diamants artificiels.

"Nos résultats montrent clairement que les champs électriques doivent être considérés comme un facteur supplémentaire important qui influence la cristallisation des diamants. Cette observation peut s'avérer assez importante pour comprendre les changements des rapports isotopiques du carbone dans le cycle global du carbone, ", résume Youri Polyanov.