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Sciences

L’ère des diamants faits en laboratoire

27-02-2020

Les diamants des bijoux Myel ont été cultivés en laboratoire. Image: Myel/Shutterstock

On sait désormais cultiver les diamants (presque) comme des plantes vertes. Et ce n’est pas que pour faire joli!

« Rien de plus pur que les rivières de diamants, rien de plus trouble que leur source », écrivait avec justesse le romancier français Hervé Bazin en 1976. Ce constat, Myriam Élie l’a fait elle aussi, il y a quelques années, quand elle s’est lancée dans la joaillerie. Elle s’est heurtée à des chaînes d’approvisionnement en métaux et pierres précieuses loin d’être toujours transparentes. « Entre la mine et la bijouterie, un diamant peut passer entre les mains de 20 personnes ! » dit la fondatrice des bijoux Myel dans sa boutique épurée de l’avenue Laurier, à Montréal.

Pas question, pour la jeune trentenaire, d’utiliser ce qu’on appelle des « diamants de sang », provenant de zones de conflits, ou de l’or extrait par des enfants. « Nous n’employons plus de matériaux dont nous ne connaissons pas la provenance », déclare cette entrepreneuse déterminée devant une vitrine où s’alignent des alliances raffinées.

Ses saphirs viennent donc du Montana et d’Australie ; les grenats, d’un territoire navajo en Arizona qu’elle a visité en janvier ; les émeraudes sont issues de mines éthiques du Brésil. Quant aux diamants, ils proviennent des entrailles… d’un laboratoire aux États-Unis.

Deux diamants de laboratoire. Source: Washington Diamonds Corporation/Inbal-Tania Studio

Fabriqués dans des réacteurs, les diamants qui ornent les bijoux Myel sont aussi scintillants qu’artificiels. « Ils sont indiscernables des diamants de mine et de 20 à 30 % moins chers, explique Myriam Élie en sortant un solitaire de 0,25 carat [1 carat équivaut à 200 mg]. J’aime le côté techno derrière leur fabrication. »

Elle n’est pas la seule : ces diamants 2.0 font aussi de l’œil aux physiciens, tant leurs propriétés mécaniques, optiques, thermiques, électroniques et même quantiques surpassent celles des autres matériaux. Mais pour l’instant, revenons à l’esthétique : les bijoux Myel brillent de mille feux, et ce n’est pas une figure de style !

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Mailles de carbone

Même les gemmologues ne pourraient distinguer, sans faire de tests poussés, ces diamants de synthèse de leurs cousins naturels. Les joyaux qui sortent des machines sont même potentiellement plus purs que les diamants de mine, qui peuvent être contaminés par toutes sortes d’inclusions minérales.

Structure du diamant

En théorie, la recette pour produire un diamant parfait est plutôt simple : il « suffit » d’aligner des atomes de carbone. Ceux-ci, lorsqu’ils sont tissés serrés, en mailles cubiques, forment les cristaux les plus durs qui soient.

On sait fabriquer ces condensés de carbone depuis les années 1960 grâce à deux techniques (voir l’encadré Pépinière de diamants plus bas). Chaque année, des millions de carats de petits diamants artificiels sont employés dans l’industrie manufacturière pour la découpe, le polissage, le forage, l’usinage de matériaux durs, etc.

Mais ces minicristaux peu onéreux, abrasifs et brunâtres n’auraient pas fait rêver Marilyn Monroe. La fabrication de diamants de qualité gemme, requise pour la joaillerie, n’est vraiment maîtrisée que depuis une dizaine d’années. « Dans le milieu, on a longtemps prétendu que les gens n’étaient pas prêts pour les diamants synthétiques. Or, depuis quelques mois, je reçois de plus en plus d’infolettres de fournisseurs qui en proposent », témoigne Myriam Élie, qui affirme être la première designer au Québec à avoir franchi le pas.

Ces pierres, dépourvues de passé trouble, gagnent du terrain et représenteraient aujourd’hui de trois à quatre pour cent du marché mondial du diamant. Si la Chine domine la production, le géant De Beers, qui s’est longtemps opposé au synthétique, a retourné sa veste en 2018. Il a lancé une gamme de bijoux de laboratoire, Lightbox Jewelry, à des prix défiant toute concurrence. Un séisme pour une industrie franchement conservatrice !

Incolores, roses ou bleutés, selon qu’on y ajoute de l’azote ou du bore par exemple, les diamants artificiels sont de plus en plus massifs. À Paris, la bijouterie « écoresponsable » Courbet a vendu en avril 2019 le plus gros diamant de culture jamais serti, lourd de 9 carats. Une miette à côté des 155 carats produits deux ans plus tôt par des chercheurs allemands spécialisés dans la synthèse de cristaux. Certes, la qualité était grossière, mais on parle d’une galette de diamant de 92 mm de diamètre…

C’est dans ce réacteur que Mehdi Naamoun fait pousser des diamants ultrapurs pour l’entreprise suisse LakeDiamond. Image: LakeDiamond

Joujoux de haute technologie

Chez LakeDiamond toutefois, ce n’est pas la taille qui compte. Cette jeune pousse issue de l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), qui a accueilli Québec Science l’été dernier, fabrique, en plus des gemmes pour la joaillerie, des pièces micromécaniques destinées à l’horlogerie de luxe − Suisse oblige. « Quand on met en contact deux surfaces en diamant, elles glissent parfaitement l’une sur l’autre, nous expliquait Mehdi Naamoun, directeur des opérations de l’entreprise fondée en 2015. Plus besoin de lubrifiant pour les engrenages de montre par exemple. » Ces pièces en diamant sont « sculptées » par un plasma d’oxygène, dont les ions percutent et oxydent les morceaux qu’on souhaite retirer.

LakeDiamond a cependant d’autres ambitions : produire des diamants ultrapurs pour les technologies de pointe. « C’est comme pour le Coca-Cola, il faut connaître les secrets de la recette. Seule une poignée d’entreprises dans le monde sont capables d’atteindre ce degré de pureté », mentionne Mehdi Naamoun.

Le jeune physicien nous a montré une plaquette translucide très mince, d’environ 5 mm de côté : c’est la « graine » de diamant qui sert de support pour faire croître le cristal par la méthode dite de « dépôt chimique en phase vapeur ». « On utilise un flux de gaz, du méthane, qu’on chauffe et dissocie en atomes dans un réacteur. Les atomes de carbone viennent se déposer sur l’échantillon et le diamant pousse. Il faut environ deux semaines pour obtenir un carat sans impuretés », indique-t-il.

Image: LakeDiamond

Et d’énumérer, les yeux pétillants, les qualités exceptionnelles du produit final : c’est le matériau le plus dur du monde, le meilleur conducteur de chaleur, celui qui résiste le mieux aux très hautes tensions ; il est inerte, biocompatible et très élastique (entendez par là qu’il retrouve sa configuration initiale s’il est déformé)…

Le fondateur de LakeDiamond, Pascal Gallo, espère produire à terme des instruments chirurgicaux de précision, des microressorts, des pièces pour les biotechnologies et l’électronique ; mais ce qui le fait vraiment vibrer, ce sont les lasers à base de diamant. C’est d’ailleurs parce qu’il s’est aperçu, pendant ses recherches sur les semi-conducteurs, qu’il pouvait augmenter la puissance d’un laser en y intégrant du diamant que Pascal Gallo a décidé de faire pousser lui-même les matériaux dont il avait besoin. « On avait du mal à trouver des fournisseurs », se souvient-il.

Aujourd’hui, son superlaser est bien rodé. « Dans la cavité où est produite la lumière, on utilise des miroirs constitués de diamants, nanogravés, qui réfléchissent presque parfaitement certaines longueurs d’onde et évacuent la chaleur, dit-il. Notre laser émet un faisceau infrarouge très rectiligne et très puissant. » L’appareil détient le record du monde dans sa catégorie : la puissance de 10 000 pointeurs laser concentrée dans un faisceau très fin.

Parfait pour le transfert d’énergie sans fil. « Nous pensons employer ce type de laser pour recharger en vol des drones dotés de panneaux photovoltaïques. D’ici quelques années, on espère aussi recharger des satellites et leur transmettre des données à 600 km de la Terre », s’enthousiasme Pascal Gallo, qui travaille à ces projets avec l’agence spatiale suisse et le spécialiste de l’énergie TAQA.

Ce n’est pas tout : avec l’EPFL, il vise à mettre au point un système d’imagerie médicale extrêmement fine, une sorte d’hybride entre l’imagerie par résonance magnétique et la microscopie. Le rapport avec le diamant ? Ce cristal peut capter des champs magnétiques infimes, comme ceux émis par le cerveau ou le cœur. Mais il faut, cette fois-ci, plonger dans l’infiniment petit, à l’échelle des atomes de carbone, pour en comprendre les propriétés quantiques. Moins clinquant que les bagues, peut-être, mais encore plus hypnotisant !

Pépinières de diamants

L’histoire des diamants naturels commence il y a plus de deux milliards d’années, à plus de 150 km sous terre, dans des conditions de pression et de température extrêmes conduisant à la formation de denses cristaux de carbone. Ceux-ci remontent ensuite à la surface à la faveur d’éruptions magmatiques, véhiculés par une lave très rare, la kimberlite. Lave qu’on a notamment trouvée dans le Grand Nord canadien en 1998… et qui permet au Canada d’être aujourd’hui le troisième producteur mondial de diamants de mine.

Pour fabriquer des diamants, on a logiquement cherché dès les années 1950 à imiter leurs conditions naturelles de formation. La synthèse dite HPHT, pour « haute pression et haute température », est la méthode la plus utilisée pour produire des diamants industriels. On comprime du graphite (composé de carbone) à 1 500 °C dans d’énormes presses hydrauliques qui exercent jusqu’à 60 000 fois la pression atmo­sphérique ! La pureté est difficile à maîtriser, de l’azote étant incorporé lors de la croissance (ce qui rend le diamant jaunâtre).

L’autre technique, employée par LakeDiamond, appelée « dépôt chimique en phase vapeur », consiste à faire croître le diamant dans une enceinte sous vide. À l’intérieur, un gaz carboné est dissocié en atomes de carbone et d’hydrogène. « Le moyen le plus simple est de se servir d’un générateur de micro-ondes cinq fois plus puissant que les fours domestiques pour chauffer le gaz à environ 4 000 °C », explique Jocelyn Achard, qui fabrique des diamants à l’Université Sorbonne Paris Nord. Les atomes de carbone viennent se déposer sur une « graine » de diamant, et l’hydrogène, très réactif, empêche la formation parasite de graphite. « On peut contrôler la vitesse de croissance. Pour du diamant très pur, la vitesse est de 5 microns par heure [soit un millimètre en huit jours environ]. On peut aller jusqu’à 100 microns pour la joaillerie », ajoute le spécialiste.

« Cela paraît simple, mais c’est un défi considérable de maintenir des conditions stables, à quelques degrés près, pendant des semaines », précise de son côté Pascal Gallo, chez LakeDiamond.

Bling-bling quantique

Un centre NV avec l’atome d’azote en mauve jouxtant une lacune au centre.

Car les diamants ont beau être proches de la perfection, ils renferment à l’occasion de petits « couacs » qui viennent interrompre le maillage régulier de carbone. Parfois, deux atomes voisins de carbone manquent à l’appel : l’un d’eux est remplacé par un atome d’azote, tandis que l’autre emplacement reste vide. On obtient alors un duo azote-lacune, célèbre (dans le monde de la physique, du moins !) sous le nom de « centre NV », pour nitrogen-vacancy. Dans ce petit trou, des électrons flottent librement et sont extrêmement sensibles aux variations de leur environnement, qu’elles soient électriques, magnétiques ou optiques.

Si les centres NV existent dans les diamants naturels, ils suscitent un véritable engouement depuis peu grâce aux diamants synthétiques. Car ces « défauts » peuvent y être introduits de façon contrôlée. « Quand j’étais étudiante [en physique atomique], on devait travailler sur des diamants naturels très purs. Il y en avait un de l’Oural, qu’on appelait “Magic Russian”, dont tous les chercheurs s’arrachaient des échantillons », se souvient Lilian Childress, physicienne à l’Université McGill. Pour ses expériences, elle achète maintenant des diamants synthétiques, plus fiables que le joyau russe, auprès d’entreprises comme Element 6 (une filiale de De Beers) et vient d’en commander un de LakeDiamond.

Dans son laboratoire aux stores fermés en permanence, elle étudie les propriétés optiques et quantiques de ces imperfections invisibles. Ses outils ? Une plaquette de diamant et un faisceau laser qui parcourt un circuit complexe de miroirs et d’objectifs de microscope fixés sur une grande table. « C’est une sorte de jeu de construction pour adultes, s’amuse la scientifique. Les centres NV se comportent un peu comme des atomes piégés dans une matrice. Mais ils peuvent être étudiés par des moyens très simples. » Et être exploités par les physiciens, qui s’en servent notamment comme des magnétomètres sensibles à l’échelle atomique. Ils jouent en fait avec le spin des électrons, une propriété naturelle de ces particules. « Le spin, c’est un peu comme un minuscule aimant. Il est sensible au champ magnétique, qui va influer sur ses niveaux d’énergie, ce qui peut être mesuré optiquement », détaille Lilian Childress.

Ces capteurs de champ magnétique ne courent pas encore les rues, mais de nombreux prototypes voient le jour en recherche biomédicale et en ingénierie. À l’Université de Sherbrooke, par exemple, une équipe étudiante met au point un magnétomètre quantique à base de diamant qui s’envolera bientôt à bord d’un nanosatellite CubeSat pour recueillir des données sur le champ magnétique terrestre.

De gros projets de recherche tentent de faire des qubits intriqués, les briques élémentaires d’un ordinateur quantique, à base de diamant.

Jocelyn Achard

Broder les atomes

Au Laboratoire des sciences des procédés et des matériaux de l’Université Sorbonne Paris Nord, Jocelyn Achard et Alexandre Tallaire se spécialisent eux aussi dans la production de diamants ultrapurs pour pousser le matériau encore plus loin… et en faire un support d’information quantique.

« Le Graal en physique, c’est l’ordinateur quantique. Pour l’instant, la plupart des efforts de recherche sur le sujet reposent sur l’utilisation de supraconducteurs, mais ces matériaux doivent être maintenus à basse température au moyen d’hélium liquide. Le diamant, au contraire, est manipulé à température ambiante. De gros projets de recherche tentent actuellement de faire des qubits intriqués, les briques élémentaires d’un ordinateur quantique, à base de centres NV », explique Jocelyn Achard.

Ici aussi, c’est le spin des électrons qu’on cherche à exploiter. Les étranges lois quantiques autorisent une particule à se trouver dans deux états en même temps et c’est également le cas pour le spin. Cette superposition, si on la maîtrise, permettrait de décupler la puissance de calcul des machines : au lieu de bits dont la valeur est soit 0, soit 1, on aurait des qubits qui prendraient simultanément les valeurs de 0 et de 1. Or, les états de superposition sont très fragiles, détruits par la moindre perturbation de l’environnement. Là encore, le diamant se démarque : « On peut manipuler les niveaux d’énergie des centres NV pendant des temps assez longs, quelques millisecondes », ajoute le chercheur.

En 2019, des progrès notables ont été enregistrés dans le domaine. Une équipe de l’Université de technologie de Delft, aux Pays-Bas, a réalisé un système quantique de 10 qubits grâce au spin d’un unique centre NV et aux spins des atomes adjacents. Une équipe de l’Université nationale de Yokohama, au Japon, a quant à elle réussi à « téléporter » de l’information dans un diamant par intrication quantique (un phénomène qui permet de coupler les bits quantiques entre eux).

« Pour le moment, un ordinateur quantique à base de diamant reste de la science-fiction, car il faudrait pouvoir positionner intentionnellement deux centres NV à moins de 10 nanomètres l’un de l’autre pour qu’ils puissent interagir. On ne sait pas encore le faire, mais on y travaille », poursuit Jocelyn Achard.

Chose certaine, cette orfèvrerie atomique ouvre la voie à des applications encore inconcevables il y a quelques années. Pour Pascal Gallo, de LakeDiamond, la pierre la plus dure du monde est sans aucun doute un investissement solide. Il vient d’ailleurs d’acquérir un second réacteur. « Quand je fais croître un diamant, parfois je me réveille la nuit pour aller voir le réacteur. C’est comme élever des enfants ! On ne veut pas qu’ils grandissent trop vite. Chaque croissance est un petit miracle », dit-il avec émotion. Comme quoi, même artificiel, le diamant ne perd rien de sa magie.

Un monde de défauts

Les centres azote-lacune (NV) sont les défauts les plus étudiés du diamant. « Mais il y en a des centaines d’autres, souligne la physicienne Lilian Childress. Chacun donne des propriétés particulières au cristal : c’est comme si nous avions tout un nouveau tableau périodique à explorer ! »

À ce jour, environ 800 « centres colorés » − appelés ainsi, car ils modifient la couleur du diamant − ont été répertoriés. Des chercheurs s’intéressent aux propriétés de centres colorés, à base de silicium, d’étain ou de plomb par exemple. Enfin, il est aussi possible de « doper » le diamant lors de la synthèse en y ajoutant des impuretés de bore ou de phosphore pour en faire un matériau semi-conducteur.

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