Propriétés chimiques du diamant
Sommaire : Propriétés chimiques du diamant
- Propriétés chimiques du diamant
- Réfraction
- Pouvoir réflecteur
- Dispersion
- Effet de biréfringence
- Fluorescence
- Transparence aux rayons X
Chauffé au rouge à l’aide d’un chalumeau, le diamant peut brûler et devient, extérieurement, d’un blanc laiteux. Un simple repolissage lui redonne tout son éclat. Quand, en laboratoire, on le chauffe au moufle à 1400 °C pendant deux heures, il brûle, entouré d’une flamme très vive. En vase clos, et en ajoutant de l’oxygène, il brûle à 800-850°. Consumé, il donne 3,6 grammes d’anhydride carbonique dans la proportion de 1⁄500 à 1⁄200 du poids initial, plus des déchets étrangers variant selon la provenance de la pierre. À 1 800 °C, il se transforme en graphite et éclate à 1900° C. Il sublime à 3 500 °C.
Il est inattaquable aux acides et aux alcalis, sauf au nitrate de potassium ou à la soude fondue qui le dissout.
Louis Dieulafait, 1887
Réfraction
Le diamant possède un des plus hauts indices de réfraction des pierres naturelles transparentes. Il est de 2,417 en lumière jaune. On peut remarquer que certaines pierres synthétiques, comme la fabulite, ont un indice de réfraction aussi élevé (fabulite, 2,41 ; rutile synthétique, 2,65 ; C.Z., 2,17-18).
Pouvoir réflecteur
Le pouvoir réflecteur du diamant est très fort et dépend de l’indice de réfraction. Il varie aussi selon l’angle incident formé par le rayon lumineux par rapport à la normale à la surface du diamant. Plus le rayon lumineux s’en approche et plus le pourcentage du pouvoir réflecteur augmente.
Dispersion
Elle est très forte et par le jeu des facettes formant prisme, elle provoque le scintillement des couleurs de l’arc-en-ciel qui caractérise les « feux » du diamant taillé. Quelques pierres synthétiques ont une dispersion moindre (YAG) ou supérieure (fabulite).
En tournant vers soi un diamant taillé et en observant une facette sur laquelle tombe la lumière, on constate que l’éclat augmente de plus en plus jusqu’à ce qu’il atteigne un maximum, puis il diminue en prenant un éclat intermédiaire entre celui du cristal et celui de l’acier poli. C’est entre autres l’éclat typique des diamants des mines Jager en Afrique du Sud.
Effet de biréfringence
Bien qu’il appartienne au système cubique et qu’il soit donc, théoriquement, isotrope, le diamant examiné au polariscope présente souvent une biréfringence due à des tensions internes ; les diamants purs et sans tensions internes en sont totalement exempts. Pour les pierres taillées, l’observation de l’effet de biréfringence est plus facile en conduisant l’examen le long du rondiste et en éliminant les rayons parasites.
Fluorescence
En exposant un diamant à la lumière ultraviolette, on constate qu’il est susceptible d’émettre une lumière visible, de couleur variable, bleue, blanche, violette, parfois jaune ou verte, voire orange. On a remarqué que certaines mines ont un pourcentage de diamants fluorescents plus élevé que d’autres mines.
Un diamant taillé a une moindre valeur si sa fluorescence est trop élevée car, à la lumière normale, il donne l’impression d’avoir une couleur de qualité supérieure à ce qu’elle est réellement. Une pierre fortement fluorescente a tendance à paraître laiteuse. Pour certaines pierres taillées, caractérisées par les lettres J, K, L sur l’échelle qualitative de couleur des laboratoires d’expertise, une certaine fluorescence peut, par contre, leur donner une plus-value et les amener à être utilisées en bijouterie.
L’électron excité reprend sa place initiale et rend l’énergie absorbée sous forme de lumière. Le diamant est fluorescent
Comme nous l’avons vu précédemment, toutes les matières sont faites d’atomes. Les atomes consistent en un noyau entouré de plusieurs électrons, qui déterminent les caractéristiques de la matière.
Ces électrons peuvent puiser de l’énergie dans d’autres sources (énergie provenant de la chaleur, de l’électricité, de la lumière et de divers autres 95 rayons, entre autres ultraviolets, également présents dans le rayonnement solaire.) Cette prise d’énergie va permettre à l’électron de se mouvoir vers un niveau supérieur.
L’impression de couleur est l’enregistrement de cette énergie par l’œil au moment où cette énergie entre dans la partie visible du spectre de la lumière. L’œil humain reçoit les couleurs non absorbées, c’est-à-dire les couleurs complémentaires.
Quand un objet absorbe le rouge, l’impression est verte. Lors de l’absorption du bleu, elle est jaune.
Au cas où aucune couleur n’est absorbée, on a une impression blanche (comme lors de la transparence). Quand, par contre, toutes les couleurs sont absorbées, l’impression est noire.
Le W.T.O.C.D.(centre de recherche scientifique et technologique du diamant) explique l’origine de la fluorescence de la façon suivante :
Une matière ne reste jamais longtemps en état d’énergie supérieure (état excitation). L’énergie supplémentaire est rendue et l’électron reprend sa place d’origine. Quand cette remise prend la forme de lumière, on parle de luminescence. Si la durée totale, de l’excitation à la remise d’énergie, est « courte » (c.-à-d. moins de 0,001 s), on parle de fluorescence. Quand, par contre, la durée est supérieure, on parle de phosphorescence. L’objet luit avec retardement.
La luminescence n’a pas toujours lieu. La remise d’énergie peut aussi prendre la forme de chaleur. L’électron reporte son énergie sur le réseau cristallin (l’ensemble ordonné des accumulations des atomes), ce qui fait vibrer ce dernier et le fait chauffer. Ceci est la raison pour laquelle beaucoup de matières ne sont pas fluorescentes. L’énergie remise se transforme donc soit en rayonnement, soit en chaleur.
Couleur et fluorescence du diamant
Le diamant pur n’a pas de couleur ni de fluorescence car le réseau de carbone n’absorbe pas dans le spectre (domaine) visible, mais loin dans l’ultraviolet. Il n’influence donc pas la lumière dans le spectre visible. Par conséquent, le diamant pur a une perfection de EW + couleur D. Le diamant entièrement pur est très rare, sinon inexistant. Un diamant réel contient d’autres éléments chimiques qui peuvent être considérés 96 comme étant autant d’impuretés, ou plutôt de caractéristiques, par rapport au carbone. Les principales « impuretés » sont notamment l’azote et le bore. C’est cette dernière matière qui est responsable de la couleur bleue des diamants semi-conducteurs.
L’azote est la principale impureté et caractérise tous les diamants du type I. Cet azote apparaît sous plusieurs « formes », et est responsable de pratiquement toutes les nuances de couleur du diamant. C’est, par exemple, un ensemble de trois atomes d’azote accompagnés d’une vacature, qui donnera sa couleur jaune à la plupart des diamants (la classification Cape).
L’interaction des électrons de l’azote et du réseau de carbone, composant le diamant, se présente de telle façon que la pierre absorbe la lumière bleue et ultraviolette. Autrement dit, les électrons ont besoin de cette énergie pour être excités. Notre œil n’enregistre que la couleur complémentaire du bleu et du violet, c’est-à-dire le jaune.
Le même groupe de trois atomes d’azote donne la fluorescence bleue à ces diamants, car les électrons excités vont rendre leur trop-plein d’énergie après un certain temps. Étant donné que cette énergie correspond à une lumière de couleur bleue, les diamants produisent une lumière bleue.
La fluorescence n’a donc rien d’anormal. Elle est propre aux « impuretés » infiniment petites du diamant. Une même impureté peut donc aussi bien provoquer l’absorption, donc la couleur, que la fluorescence. Les deux phénomènes sont totalement indissociables.
Pourquoi certains diamants sont-ils fluorescents, alors que d’autres ne le sont pas, bien que présentant une lumière jaune ? Comme mentionné ci-dessus, un trop-plein d’énergie peut aussi bien retourner au réseau sous forme de « chaleur ». De nombreux diamants présentent en plus une autre impureté due à l’azote, composée de deux atomes d’azote. Ce petit groupe d’atomes reprend l’énergie excessive des autres centres pour le passer au réseau cristallin, ce qui permet aux électrons de retourner à leur état initial, sans émettre de la lumière. Les diamants peuvent également présenter d’autres couleurs de fluorescence que le bleu. C’est ainsi que l’on trouve des pierres fluorescentes vertes, jaunes, orange, rouges et blanches. Ces couleurs sont néanmoins dues à d’autres types d’impuretés. Chacune de ces impuretés donne sa couleur particulière au diamant.
Influence de la fluorescence sur la couleur d’un diamant
Paramètre influençant la couleur
Le paragraphe précédent nous permet de citer trois causes principales de la modification de la couleur du diamant. Deux d’entre elles sont :
- L’absorption par le diamant lui-même
- La source de lumière qui éclaire le diamant
Le premier facteur est propre au diamant et détermine quelles longueurs d’ondes du spectre seront absorbées, et par conséquent quelles longueurs d’ondes atteindront l’œil.
Le deuxième facteur est aussi important, dans la mesure où il détermine quelle quantité de lumière de chaque longueur d’ondes atteint la pierre. La source de lumière joue donc également un rôle déterminant dans la couleur observée. Les diamants Cape, par exemple, ont tous la même « couleur » incolore sous une lampe exempte de lumière bleue et violette. La lumière n’est absorbée par aucun diamant, car les longueurs d’ondes qui devraient s’en charger sont absentes. Cet aspect éclairage sera traité de manière plus explicite dans le paragraphe c.
Le troisième facteur est la taille. Selon la manière de tailler, il est possible d’influencer la couleur.
Corrections de couleur par la fluorescence
Un quatrième facteur déterminant est la fluorescence. Une pierre fluorescente diffuse une lumière supplémentaire qui atteint également notre vue, et fait donc partie du spectre entier. L’ illustration page suivante retrace le phénomène pour les diamants Cape.
La fluorescence d’un diamant dépend naturellement de la mesure d’excitation des électrons, autrement dit, de l’intervention de ces longueurs d’ondes qui produisent l’absorption. Il faut immédiatement préciser que la lumière à l’origine de la fluorescence ne doit pas obligatoirement être de la lumière ultraviolette. En pratique, c’est une lampe à mercure qui permet de mesurer la fluorescence en émettant de la lumière UV de 366 nm (nanomètre : 10– 9 mètres). La fluorescence bleue apparaît grâce à cette longueur d’ondes, entre autres!
Le degré de fluorescence d’un diamant dépend de la longueur d’ondes à laquelle il est exposé, c’est ce qu’on appelle l’efficience de fluorescence. Pour les diamants jaunes du groupe Cape à la fluorescence bleue, l’efficience maximale se situe aux alentours des 400 nm, donc en terrain visible et non aux alentours des 366 nm. Certains diamants ne sont pas fluorescents après une exposition à la lumière UV, mais par contre ils réagissent à la lumière verte en donnant une fluorescence de couleur orange accentuée. Ceci souligne l’importance du type de lampe utilisée lors de la définition de la couleur du diamant.
Sources de lumière utilisées lors de la définition de la couleur du diamant
En règle générale, la définition de la couleur des diamants doit avoir lieu à la lumière artificielle normalisée, correspondant à la lumière naturelle venant du Nord. La source de lumière standardisée D65, fixée par la CIE 99 (Commission internationale de l’éclairage), est celle qui se rapproche le mieux de la lumière naturelle (voir illustration ci-dessous).
Dans la mesure où cette source de lumière simule la lumière naturelle, elle contient une certaine quantité de lumière UV qui va évidemment contribuer à la fluorescence.
Depuis quelques années, la tendance du marché diamantaire est à la dépréciation des diamants fluorescents par rapport aux diamants non fluorescents. Certains laboratoires ont élaboré une technique qui vise à diminuer l’effet de la fluorescence. Cette technique consiste à utiliser des lampes à faible diffusion de lumière UV (par exemple, la lumière D55, produisant de la lumière plus jaune, et utilisée dans l’industrie graphique), ou en filtrant simplement la lumière UV de la lampe. Le paragraphe b précise bien que les deux procédés peuvent mener à d’autres résultats. Ils ne correspondent d’ailleurs plus aux International Rules for Grading Polished Diamonds, règles suivant lesquelles le certificat H.R.D. est rédigé. La teneur en UV est par conséquent un élément essentiel de la lumière naturelle.
Des erreurs peuvent néanmoins avoir lieu lors de l’utilisation de lampes d’une autre température de couleur, car elles donnent une proportion totalement différente des couleurs visibles dans la mesure où le nombre de centres, excités par la lumière visible, n’est pas identique. La filtration de la lumière UV ne donne d’ailleurs pas de résultat optimal, parce que la partie violette visible provoque toujours une certaine fluorescence.
Conclusion sur la fluorescence
La fluorescence n’est pas un aspect isolé ou spécial qui diminue la valeur d’un diamant. C’est la conséquence essentielle de la présence d’impuretés au niveau atomaire (invisibles au microscope de gemmologie) qui déterminent également la couleur du diamant, et sont par conséquent indissociables de leur présence.
Un autre aspect d’importance capitale pour la définition de la couleur de la pierre est l’éclairage, car c’est finalement la composition spectrale de la lumière utilisée qui va définir la couleur perçue. Si l’on veut parvenir à une certaine uniformité entre les différents laboratoires émetteurs de certificats, il faudra d’abord se mettre d’accord sur la source de lumière utilisée.
L’auteur, ainsi que le critique, pense qu’il y a donc lieu de parler de luminescence quand l’électron excité rend l’énergie absorbée sous forme de lumière en regagnant son état d’origine. On pourrait, à tort, en conclure que l’énergie absorbée retourne intégralement sous forme de rayon lumineux. L’énergie rendue n’est en fait qu’une partie de l’énergie d’excitation absorbée.
L’autre partie servira à alimenter les mécanismes de modification temporaire, allant de pair avec l’excitation de l’électron émanant de l’atome. Par conséquent, les photons émis émettront toujours des ondes plus longues (énergie basse) que les photons absorbés. La phosphorescence, quant à elle, est due au déplacement des électrons sous l’effet d’une lumière intense. C’est un phénomène passager qui disparaît rapidement dès que cesse la lumière et que les électrons reprennent leur place.
Transparence aux rayons X
Le diamant offre une transparence remarquable aux rayons X ce qui permet de le différencier sans peine de ses imitations en joaillerie, car leur composition atomique différente n’offre pas la même pénétration aux rayons X. Cette propriété est particulièrement utilisée dans l’expertise des pierres.
Elle trouve également une application pratique dans l’extraction et l’identification du brut (cf. chapitre Géologie). Le temps d’exposition aux rayons X étant très bref, de 5 à 10 secondes, et les appareils émetteurs assurant une bonne protection contre le rayonnement, aucun danger ne peut en résulter pour l’observateur et aucun effet secondaire appréciable ne s’observe sur les pierres. Il arrive parfois que des pierres de couleur franche puissent changer de couleur mais l’effet ne dure habituellement pas.
© Dureté 10 – Eddy Vleeschdrager
