CRISTAUXSynthèse des cristaux

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Quelques exemples de synthèses des cristaux

Beaucoup de cristaux artificiels ont été réalisés ; dans la théorie, tous les minéraux peuvent être synthétisés.

Les méthodes générales décrites précédemment peuvent paraître à première vue artisanales, mais près de deux siècles de cristallogenèse ont progressivement affiné les techniques, notamment dans l'élaboration chimique des produits de synthèse, l'obtention de hautes températures et pressions, et la maîtrise de ces dernières. Synthétiser du quartz est chose aisée, mais l'amétrine (quartz améthyste-citrine) n'a été obtenue qu'en 1995 ; dans un même ordre d'idée, le premier diamant quasi incolore n'a pu être synthétisé qu'en 1994.

Nous aborderons ici quelques exemples de synthèses de cristaux qui présentent un intérêt pour leurs utilisations en joaillerie ou pour leurs applications industrielles ou techniques.

Le diamant

La première synthèse avérée de diamant fut obtenue par le chimiste britannique James Ballantyne Hannay (1855-1931). Ses publications de 1880 décrivent le procédé employé : un mélange de paraffine, d'huile et de lithium était placé dans un tube en fer forgé scellé et chauffé au rouge. Les pressions importantes nécessaires à la synthèse du diamant étaient assurées par la décomposition des matières organiques. Hannay obtint ainsi des diamants millimétriques quasi purs. Par la suite, différents dispositifs ont apporté des innovations plus ou moins fructueuses pour obtenir des hautes températures et de fortes pressions. Ferdinand Moissan (1852-1907), Prix Nobel de chimie 1906, a mis au point un four à arc (1892) qui permet d'atteindre des températures de 3 000 à 4 000 0C, inégalées à l'époque. William Crookes (1832-1919) avait calculé que le carbone, une fois liquéfié à haute température, devait cristalliser à une pression supérieure à 2 350 atmosphères (environ 235 MPa). Pour cela, il fit exploser de la cordite mélangée à du carbone dans un récipient clos en fer, mais aboutit à un échec. Charles Algernon Parsons (1854-1931) inventa un procédé où une balle de fusil « Duck » de 0,9 inch de calibre heurtait un piston en acier placé dans un cylindre contenant de l'oxygène et de l'acétylène. Les pressions et les températures ainsi dégagées par la déflagration lui permirent d'obtenir ce qu'il prit pour des diamants, mais qui n'étaient en fait que des spinelles ou du carbure de silicium.

Les premiers succès, après ceux de Hannay, reviennent à Percy Williams Bridgmann (1882-1961), professeur à l'université Harvard, selon le procédé de cristallisation à partir du liquide de fusion décrit auparavant. Succès exclusivement théorique, car s'il parvient à obtenir les conditions de température et, surtout, de pression nécessaires à la synthèse du diamant, il ne réussit pas à concrétiser ses expériences, la Seconde Guerre mondiale interrompant ses travaux. Mais la voie était largement ouverte et, en 1953, la firme suédoise A.S.E.A. (Allmassa Svenska Elektriska Aktiebolaget), puis, en 1954, les laboratoires américains de General Electric réalisaient enfin des synthèses de diamant, plus de soixante-dix ans après Hannay.

Aujourd'hui, on produit le diamant sous trois formes : la poudre cristalline, le carbonado et enfin les grands monocristaux.

La poudre cristalline est généralement obtenue par dissolution anhydre, sous de très hautes pressions, à partir d'une solution de carbone et de métaux de transition tels que le cobalt ou le nickel. Cette poudre est utilisée pour la principale caractéristique du diamant : sa dureté. Agglomérée ou collée, elle sert à des fins d'usinage (abrasion, sciage, polissage, etc.) ou pour les têtes de forage qu'utilisent les pétroliers et les mineurs. La production annuelle mondiale de poudre cristalline de diamant est de l'ordre de 20 tonnes.

Le carbonado est une forme polycristalline du diamant ; de couleur noire, il ne présente aucun intérêt pour la joaillerie. Mais il possède une propriété que le diamant monocristallin – dur mais fragile, cassant sous un choc – n'a pas : il ne se clive pas. Le carbonado est donc utilisé pour certaines machines-outils.

Les grands monocristaux de diamant intéressent plutôt la gemmologie et les recherches scientifiques. Ce marché est donc relativement marginal. En 1989, les laboratoires De Beers, en Afrique du Sud, réalisaient la synthèse d'un monocristal de 15 carats, et, en 1992, un autre de 34 carats. Toutefois, les monocristaux réalisés [...]

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  • : 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

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Pour citer l’article

Yves GAUTIER, « CRISTAUX - Synthèse des cristaux », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 23 mai 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/cristaux-synthese-des-cristaux/