Fabrication de diamants de synthèse : 3D, lasers, les technologies innovent

Pour les outils d’usinage, pour des applications biomédicales comme le dentaire, pour l’optique et les lasers, pour la résistance des matériaux (sous forme de nanodiamants) et bien sûr pour la joaillerie, la demande de diamants de synthèse ne cesse de grandir. Les prix des diamants de synthèse sont de 10 à 50 % inférieurs aux diamants naturels. Le défi aujourd’hui : les fabriquer vite et en grande quantité et surtout pouvoir leur donner la forme et les caractéristiques désirées. Car aujourd’hui un diamant de synthèse doit encore « pousser » et cela prend plusieurs semaines pour en fabriquer un petit lot. Mais les technologies progressent et de nouveaux procédés voient le jour.

Au printemps dernier, la société suédoise Sandvik Additive Manufacturing annonçait qu’elle pouvait imprimer les premiers diamants composites en 3D. Même si ce n’est encore qu’un composite, c’est déjà une petite révolution.

La première impression d’un diamant en 3D

Ce diamant-là ne brille pas. Bien que cela ne soit qu’un diamant composite, c’est-à-dire dont une partie est un polymère, ses propriétés sont déjà suffisamment performantes pour convenir à nombres d’applications industrielles. Sandvik fabrique ce type de diamant par un procédé de stéréolithographie par UV sur une matrice formée par de la poudre de diamant et un polymère. Le diamant, créé couche par couche, peut donc prendre presque n’importe quelle forme, y compris des formes complexes. Ensuite, un procédé breveté, développé par la société suédoise, permet de donner au diamant un certain nombre de propriétés recherchées : dureté, conductivité, basse densité, résistance à la chaleur et à la corrosion etc. Par ailleurs, le procédé est économique au niveau des matières premières, puisque la poudre de diamant non utilisée, encore mélangée au polymère peut être récupérée pour une autre fabrication. Outre les applications classiques, la possibilité de conférer des formes complexes à ces diamants composites devraient ouvrir la voie à des applications qu’il reste à inventer !

De beaux progrès dans les techniques classiques

 Aujourd’hui, deux principales voies sont utilisées pour fabriquer des diamants de synthèse, que ce soit pour l’industrie ou la joaillerie.

Il s’agit tout d’abord du procédé HPHT (Haute pression, haute température) où la croissance de la gemme se fait dans des presses industrielles sous haute pression (jusqu’à 50 000 fois la pression atmosphérique) et à haute température (environ 1500°C).

La deuxième voie de synthèse est un procédé CVD (dépôt chimique en phase vapeur) où la croissance s’opère couche après couche à partir d’un substrat en silice ou en diamant. Dans des réacteurs en phase vapeur, un mélange d’hydrogène et de méthane à basse pression (0,1 atm) et à des températures autour de 800°C est ionisé par une décharge micro-onde qui crée un plasma dans la chambre de croissance. Cela crée des diamants plus purs qu’en HPHT mais moins résistants. C’est sur cette technique qu’un laboratoire du CNRS a travaillé depuis les années 1990. A la clé, la création en 2016 par l’une des chercheuses, Alix Gicquel, du premier producteur français de diamants de synthèse pour la joaillerie (Diam Concept). La start-up qui conçoit ses propres réacteurs CVD est déjà capable de produire 60 pierres par lot, contre 10 dans les réacteurs commerciaux courants. Maintenant que son process de fabrication est stabilisé, Diam Concept doit rejoindre le centre d’innovation du groupe Air Liquide pour pouvoir multiplier les réacteurs, augmenter la taille des lots et investir dans un laser lui permettant de tailler elle-même ses diamants.

Des nanodiamants, coproduits du carbone trempé

Une autre voie de fabrication de nanodiamants pour l’industrie est en train d’être développée. Elle a l’avantage de pouvoir se faire à température et pression ambiante. Il s’agit d’un procédé utilisant les lasers et qui a été mis à jour en 2015 lors de la découverte du carbone Q (aussi appelé carbone trempé). Les caractéristiques du carbone Q sont exceptionnelles : dureté et transparence supérieure à celle du diamant, électrons périphériques peu liés, comportement ferromagnétique à température ambiante, et à basse pression précurseur du diamant.

Le carbone Q s’obtient en chauffant et refroidissant rapidement une mince couche de carbone amorphe (quelques centaines de nanomètres) déposée sur un substrat (saphir, polymère etc.). La chauffe se fait par un laser en quelques centaines de nanosecondes qui permet à la couche superficielle du substrat d’atteindre les 4000k et d’entrer en surfusion. En refroidissant, les atomes s’arrangent dans une forme différente du diamant ou du graphite, de manière uniforme dans l’espace. Les recherches ont permis de déterminer qu’en faisant varier les substrats ou les vitesses de refroidissement, on modifie les formes de cristallisation et que l’on peut obtenir une cristallisation sous forme cubique à face centrée propre au diamant. On peut alors obtenir des nano ou des microdiamants.