Une bague en diamant et un crayon semblent n’avoir rien en commun, jusqu’à ce qu’on enlève le romantisme à l’une et la peinture jaune à l’autre. La pierre de la bague et le trait sombre laissé par le crayon sont tous deux faits de carbone. La différence tient à leur architecture : les mêmes atomes, mais assemblés selon des structures différentes.
Les diamants ont lentement tendance à devenir du graphite, car le graphite est la forme de carbone la moins énergique à température et pression normales. La transformation est bien réelle, mais dans les conditions du quotidien, elle est si lente qu’un diamant peut durer des millions, voire des milliards d’années.
Dans un diamant, chaque atome de carbone est lié à quatre atomes de carbone voisins dans un réseau tridimensionnel très compact. Dans le graphite, chaque atome de carbone est fortement lié à trois voisins dans des feuillets plats, tandis que ces feuillets n’adhèrent que faiblement les uns aux autres.[1] C’est cette structure en couches qui permet au graphite de s’étaler sur le papier. Une marque de crayon, c’est du carbone qui se détache en minuscules feuillets.
Dans des conditions ordinaires, le graphite est l’agencement le plus stable. Le Dr Christopher S. Baird, physicien à la West Texas A&M University, explique que les diamants se dégradent en graphite parce que le graphite correspond à une configuration de plus basse énergie dans les conditions habituelles.[1] Aucun agent chimique extérieur n’a besoin d’attaquer la pierre. Les atomes de carbone devraient simplement se réarranger de l’intérieur, en rompant certaines liaisons et en en formant d’autres.
Le mur entre l’éclat et le graphite
Un diamant ne s’effondre pas spontanément en graphite parce que ses atomes sont piégés derrière une importante barrière énergétique. Baird compare la situation à quelqu’un qui se tiendrait dans un trou peu profond à côté d’un trou plus profond, avec un mur entre les deux. Le trou le plus profond est l’endroit le plus stable, mais on ne peut pas l’atteindre sans d’abord obtenir assez d’énergie pour franchir le mur.[1]
Les chimistes disent que le diamant est métastable. Ce n’est pas la forme de carbone la moins énergique à température et pression normales, mais il peut rester coincé dans sa structure actuelle pendant une durée extraordinaire.[1] La thermodynamique favorise le graphite. La cinétique, la branche de la chimie qui s’intéresse à la vitesse des transformations, empêche le diamant de changer visiblement à l’échelle d’une vie humaine.
À des températures ambiantes confortables, loin d’un bombardement ionique intense et d’une chaleur extrême, la conversion du diamant en graphite est si lente qu’elle est pratiquement inexistante.[1] Baird écrit qu’un diamant porté au doigt dans des conditions humaines normales peut durer des millions à des milliards d’années, ce qui fait de « les diamants sont éternels » une excellente approximation dans la vie de tous les jours.[1]
Certaines estimations allongent encore davantage cette échelle de temps. À température ambiante, on a décrit un centimètre cube de diamant comme mettant infiniment plus longtemps que l’âge de l’univers à se convertir entièrement en graphite ; à très haute température, en revanche, le processus peut devenir beaucoup plus visible.[3] Une personne qui attendrait qu’une alliance devienne du graphite de crayon ferait un pari qu’aucune vie humaine ne pourrait encaisser.
Comment accélérer un diamant
La chaleur donne de l’énergie aux atomes de carbone. Baird note que chauffer un diamant ou le bombarder avec des ions peut fournir aux atomes assez d’énergie pour franchir la barrière et se réorganiser vers le graphite.[1] Un autre type de destruction est également possible. En présence d’oxygène et à haute température, les diamants peuvent brûler pour former du dioxyde de carbone plutôt que devenir du graphite.[2]
La pression pousse le carbone dans l’autre direction. Les diamants sont favorisés sous haute pression, ce qui explique en partie pourquoi ils se forment profondément dans la Terre plutôt que sur un bureau.[2] De nombreux diamants naturels de qualité gemme sont très anciens, souvent datés d’environ 1 à 3,3 milliards d’années.[2] Ils survivent parce qu’une fois que le carbone adopte la structure du diamant, cette structure est extraordinairement difficile à défaire.
Le vieux slogan est physiquement faux, mais pratiquement utile. Les diamants ne sont pas éternels au sens strict. Ce sont des atomes de carbone pris dans un agencement brillant et obstiné, qui penche presque imperceptiblement vers la stabilité gris terne du graphite. Sur un doigt, la pierre continue de briller. À l’échelle où la matière cherche son état de plus basse énergie, le crayon attendait depuis le début.
