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Les diamants de laboratoire ou synthétiques

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La production de diamants HPHT

Les diamants naturels sont typiquement formés à environ 145 à 193 km sous la surface, exposés à une température d’environ 870 à 1315 degrés Celsius et à une pression de 4,5 à 6 gigapascals (GPa). Les systèmes HPHT cherchent à reproduire ces conditions pour créer des diamants. La caractéristique commune de toutes les presses HPHT est que les machines exercent une pression continue élevée ainsi que de la chaleur sur une capsule de synthèse. La capsule contient des graines de diamant, du métal solvant, du carbone hautement pur et d’autres métaux pour éliminer l’azote afin d’avoir des diamants plus blancs ou pour donner de la couleur lors de la croissance. La haute pression et la chaleur font fondre le métal solvant, qui agit comme un catalyseur pour accélérer la formation du diamant. Le métal en fusion dissout à son tour le carbone, qui se dépose ensuite sur les graines et développe le diamant.

Il existe actuellement deux grands types de presses disponibles pour fabriquer des diamants : la pesse deux-enclumes et la presse multi-enclumes.

Les presses deux-enclumes

-        La presse à bande a été l’une des premières configurations HPHT pour créer des diamants cultivés en laboratoire. Elle dispose de deux enclumes – une au-dessus et une en dessous – appliquant une pression contre une capsule tenue dans une cellule intérieure cylindrique renforcée. Les presses à bande, connues pour être volumineuses, sont toujours en usage aujourd’hui dans la production moderne de diamants PHÔ à une échelle beaucoup plus grande.

-        Une réactualisation de la presse à bande comprend l’utilisation d’un dispositif pour Tore, parfois aussi connu sous le nom de presse à tore. Ce dispositif en forme de disque est plus compact et permet des pressions allant jusqu’à 10 GPa sans fissuration de l’échantillon, à la différence des presses à bande classiques, qui fonctionnent habituellement à 6 GPa. Les presses à tore peuvent traiter plusieurs graines à la fois.

Les presses multi-enclumes

-        Tout d’abord vu en Russie vers 1990, la presse multi-enclumes était connue comme la « sphère fendue » ou la presse BARS, qui est un acronyme de son nom russe. Elle implique huit enclumes extérieures exerçant une pression sur six enclumes internes, qui à leur tour pressent la capsule. Un disque métallique encapsule les enclumes extérieures et les hautes pressions sont obtenues par chauffage des huiles hydrauliques contenues à l’intérieur. La presse BARS est capable de supporter des pressions de 10 GPa et est considérée comme étant la plus compacte de toutes les presses. Cependant, les systèmes BARS ne peuvent cultiver qu’un diamant à la fois.

-        Il existe une autre presse multi-enclumes, la presse cubique, où six pistons se compriment simultanément sur la capsule. Une presse cubique est généralement plus petite qu’une presse à bande et peut atteindre les pressions et les températures nécessaires pour créer des diamants plus rapidement. Les presses cubiques sont capables de cultiver de multiples diamants à la fois.

Les progrès technologiques ont permis aux producteurs HPHT de développer des diamants de manière fiable, à des tailles comprises entre 1 et 1,25 carat en moyenne, bien que de plus grandes tailles soient possibles. Selon Franklin, cela pourrait prendre seulement quelques jours pour développer 1 carat, et jusqu’à plusieurs semaines pour les tailles allant jusqu’à 4 carats. Les pierres incolores prennent également plus de temps, et plus la croissance se fait rapidement, plus le résultat final est jaune. Le plus gros diamant HPHT incolore rapporté à ce jour est une pierre carrée coupée telle une émeraude de 10,02 carats, façonnée à partir d’une pierre brute de 32,26 carats et cultivée par New Diamond Technology (NDT) en Russie. Ce diamant cultivé en laboratoire, certifié par IGI Hong Kong, a été développé en moins de 300 heures.

La production de diamants CVD

Les cultures de diamants utilisant la méthode CVD impliquent l’utilisation de micro-ondes à haute énergie qui agitent le méthane qui contient des atomes de carbone et d’hydrogène à l’intérieur d’une chambre contenant une plaquette de diamant plate. À un certain moment, le gaz se transforme en plasma, permettant aux atomes d’hydrogène de s’échapper, laissant derrière les atomes de carbone, plus lourds. Les atomes de carbone tombent alors au fond de la chambre et sont disposés dans les structures de diamant sur la plaquette. De multiples diamants peuvent ainsi être cultivés simultanément dans la chambre de croissance. La méthode CVD dispose d’un plus grand contrôle sur l’élimination de la teneur en azote, entraînant la formation de diamants incolores. D’autres éléments, tels que le bore, pour obtenir des diamants bleus, peuvent facilement être ajoutés, rendant le développement des diamants de couleur plus facile, au lieu d’utiliser des procédés de traitement post-croissance permettant de changer la couleur d’un diamant.
Les plaquettes de diamant peuvent être de toutes formes et les surfaces des graines doivent être soigneusement débarrassées des inclusions ou impuretés, qui auront une incidence sur la croissance, dit Jerry McGuire, président et chef de la direction (CEO) de Scio Diamond Technology Corporation, producteur de diamants CVD. La croissance des diamants CVD est linéaire, et cela pourrait prendre presque un mois pour développer un diamant qui peut être coupé dans des tailles de 4 à 6 carats. En théorie, il n’y a pas de limite pour la taille des diamants autre que la taille des graines. Il est possible de cultiver un diamant CVD qui finira en une pierre de 60 carats une fois coupée, mais cela requerrait une graine ayant une surface très importante. « Il n’est parfois pas rentable d’utiliser de supergrosses graines », commente McGuire, ajoutant que le marché idéal se situe autour de 0,75 à 2 carats, et c’est dans cette moyenne que Scio produit actuellement.

Les diamants HPHT contre les diamants CVD

Formes des pierres brutes

-  Les pierres brutes HPHT ressemblent à des diamants bruts naturels avec une différence fondamentale – ce sont des cuboctaèdres, huit faces triangulaires, six faces carrées – à l’opposé des cubes – six faces carrées – ou des octaèdres – huit faces triangulaires. Dans un diamant naturel, les faces cubiques et octaédriques sont développées uniformément, résultant une pierre uniforme, sans aucune face cuboctaèdre. Un diamant brut HPHT, parce qu’il a été créé à partir d’une graine qui est posée sur une face tout en étant soumise à la pression et à la chaleur, est légèrement conique vers le haut et présente des faces cuboctaèdres.

-        Les diamants CVD se développent verticalement en couches, suivant la forme de leurs graines. Si la plaquette est circulaire, le diamant brut CVD croît dans un cylindre. Si la plaquette est un carré, il va ressembler à un parallélépipède. Un diamant brut CVD cylindrique pourrait également être cultivé pour la coupe de diamants ronds afin de réduire les pertes.

Structure cristalline

-        Les diamants HPHT ont des modèles de croissance cuboctaèdres qui créent un modèle « sablier » dans les diamants taillés et polis lorsqu’ils sont examinés avec une lumière ultraviolette – un signe révélateur d’un diamant HPHT. Les diamants naturels possèdent des anneaux de croissance concentriques triangulaires créant un modèle de « tatami » qui ressemble à des nattes de paille dans les diamants taillés et polis quand on les examine.

-        Les diamants CVD et leur croissance en couches créent des stries parallèles dans les diamants taillés et polis – un phénomène absent des diamants naturels et HPHT.

Types de diamants

-        Presque tous les diamants HPHT sont de type Ib en raison de leur teneur en azote, ce qui donne la couleur jaune vue dans de nombreux diamants HPHT cultivés en laboratoire. Cependant, avec les progrès récents de la technologie, les diamants HPHT incolores sont désormais possibles, ce qui les rend de type IIa ou de type IIb. Seulement 0,1 pour cent des diamants naturels sont de type Ib.

-  La plupart des diamants CVD incolores ou presque incolores sont de type IIa, contenant peu d’azote. Seulement 1 à 2 pour cent des diamants naturels sont du type IIa.

Magnétisme

-  Certains diamants HPHT peuvent répondre à des aimants en raison des inclusions métalliques ferromagnétiques laissées par les solvants dans le cadre du processus de création. La nature chimique des solvants dans le processus de croissance des diamants HPHT signifie que des traces d’inclusions métalliques seront présentes, bien que les améliorations technologiques aient réduit les quantités et par conséquent le magnétisme.

Cependant, alors qu’il est possible pour les diamants naturels de posséder des inclusions métalliques qui sont également ferromagnétiques, ils en sont généralement débarrassés au cours du processus de coupe, laissant les pierres insensibles aux aimants. Comme les métaux ne sont pas nécessaires à la formation d’un diamant naturel, ces inclusions sont relativement simples à enlever.

- Les diamants CVD ne sont pas du tout magnétiques.

Bijou fini

-        Les diamants HPHT sont plus susceptibles d’être coupés en mêlée en raison de leur taille moyenne plus petite, selon Lan Yan, directeur du National Gemstone Testing Center (NGTC) à Shenzhen, en Chine. Les plus grands diamants HPHT pourraient avoir des inclusions métalliques auxquelles le tailleur devrait rendre compte dans le processus de coupe pour assurer qu’elles ont été enlevées ou qu’elles ne soient pas visibles, souligne Franklin d’AOTC.

-  Les diamants CVD ont tendance à être coupés en grandes tailles, car ils sont plus faciles à cultiver ainsi. Clive Hill, fondateur et président de Washington Diamonds Corporation, près de Washington DC, dit qu’il peut cultiver des diamants CVD jusqu’à 3,5 carats lorsqu’il coupe et jusqu’à 5 carats pour des diamants de magnifique qualité.

Coût de production

- Le coût de production des diamants cultivés en laboratoire est considéré comme une information confidentielle parmi les producteurs. Franklin estime que les coûts de production entre HPHT et CVD seraient semblables, et les deux pourraient éventuellement être plus faibles que celui des diamants naturels. « Les diamants naturels exigent plus de mains d’œuvre pour arriver au consommateur et donc les diamants cultivés en laboratoire, avec un chemin plus court, pourraient avoir des coûts de main-d’œuvre inférieurs », explique-t-il.

Le prix des diamants cultivés en laboratoire

Les producteurs de diamants développés en laboratoire ne fixent pas les prix des diamants aussi bas que possible. « Nous regardons les prix du marché des diamants naturels extraits, la demande pour les diamants et ainsi de suite et nous ajustons nos prix en conséquence », dit Franklin.D’autres producteurs, dont Hill, utilisent également les références de prix des diamants naturels pour fixer leurs prix. « Le rabais des diamants extraits est plus que suffisant pour tous nos clients pour avoir des affaires et une croissance forte avec les diamants cultivés en laboratoire », note Hill.

La prochaine étape

La prochaine étape dans la technologie du diamant cultivé en laboratoire est de fabriquer des diamants plus gros, plus blancs et plus rapidement. Pour les diamants HPHT, le défi reste l’élimination de l’azote dans le processus de croissance. De nos jours, alors que la technologie HPHT est capable de produire un diamant de couleur D, elle reste très lente et la taille est limitée. La couleur moyenne d’un diamant HPHT tourne autour de la couleur G dans la clarté VS.

De même pour les diamants CVD, la prochaine technologie servira à réaliser une croissance plus rapide pour les plus grandes tailles tout en conservant une bonne couleur et une bonne clarté. « Nous avons maintenant un plus grand contrôle sur les gaz, et nous avons augmenté la taille de la plate-forme de croissance », annonce McGuire de Scio Diamond. « Nous allons continuer à repousser les limites de la technologie pour des pierres plus blanches et une meilleure rentabilité », conclut-il.