En fait, les diamants ne sont pas aussi durs que vous le pensez

Le diamant est le matériau naturel le plus dur au monde. En fait, sa dureté incroyable se reflète dans le nom lui-même – le mot « diamant » est dérivé de l'ancien mot grec « Adámas », qui se traduit par « invincible » ou « incassable ». Cependant, les diamants sont loin d'être incassables. Frappez un diamant avec un marteau en acier, et il peut se briser assez facilement dans de minuscules éclats.

Alors, comment les diamants pourraient-ils être si durs et pourtant si fragiles en même temps? La confusion découle de la définition de la «dureté». Selon le Dictionnaire Cambridge, le mot « dur » peut s'appliquer à tout ce qui n'est « pas facile à plier, à couper ou à casser ». Mais dans la science des matériaux, la dureté est beaucoup moins subjective. Les scientifiques utilisent le concept de dureté pour mesurer la façon dont un matériel résiste à la déformation permanente et localisée. Dans cette définition, il existe trois types de dureté: les rayures, le rebond et l'indentation.

La dureté de grattage d'un matériau est testée en faisant glisser un matériau plus dur à travers la surface et en mesurant la profondeur de la rainure qui en résulte. La dureté de rebond d'un matériau est testée en abandonnant un outil de frappe en forme de marteau basé sur un matériau plus dur et en mesurant la hauteur qu'il rebondit. La dureté d'indentation d'un matériau est testée en la pressant avec un matériau plus dur à une force fixe et en mesurant la profondeur de l'indentation. Mais les diamants n'ont pas de matériau plus dur avec lequel les tester – ils déformeront toujours l'outil avant que l'outil puisse les déformer. En fait, les diamants sont si durs qu'ils sont souvent utilisés comme la norme maximale pour les échelles de dureté d'étalonnage. Par exemple, sur l'échelle de dureté Mohs, les diamants ont la note maximale de 10. Mais si les diamants sont les plus durs des durs, leur structure chimique les rend loin d'être dures.

Tout comme le mot «dur» signifie quelque chose de différent dans la science des matériaux et le discours commun, le mot «difficile» le fait également. Pour la plupart des gens, le mot «dur» est associé à ses synonymes durables, durs ou forts. Mais pour un scientifique des matériaux, la ténacité est assez distincte de la dureté et de la force. Au lieu de cela, la ténacité est définie dans la science des matériaux comme «la quantité de force qu'un matériau peut absorber sans fracturation». En termes simples, la dureté mesure la résistance au changement de forme tandis que la ténacité mesure la résistance à la rupture.

Ainsi, il peut être surprenant d'apprendre que les scientifiques des matériaux considèrent que le caoutchouc est beaucoup plus difficile qu'un diamant. Parmi les nombreuses propriétés intéressantes du caoutchouc, elle peut être pilée avec un marteau sans fracturation. Il peut se déformer avec les bosses et les rayures dans le processus, mais la structure globale du caoutchouc nécessite une force considérable pour se séparer. Pendant ce temps, un diamant se brisera en plusieurs minuscules morceaux sur le premier bond de marteau.

La faible ténacité de Diamond est due à sa structure chimique. Composée presque entièrement d'atomes de carbone, la structure moléculaire d'un diamant forme un réseau cristallin serré. Chaque atome est lié de manière covalente à quatre de ses voisins, résultant en une structure exceptionnellement stable. Une telle stabilité explique pourquoi les diamants sont durs mais cassants. Gratter une rainure dans la surface d'un diamant est presque impossible, car les atomes de carbone ne sont effectivement « pas disposés » à compromettre leur stabilité. Cette stabilité échoue cependant face à une force de propagation qui résonne sous la surface. Le choc rapide d'un coup de marteau, par exemple, ondule à l'intérieur du diamant. Au fur et à mesure que ce choc se déplace à travers la structure, les faiblesses dans le réseau appelées plans de clivage peuvent se séparer, brisant les liaisons. De là, le diamant s'effondre comme une maison de cartes.

Parce que les diamants sont si durs mais si cassants, les couper est une entreprise extrêmement délicate. Un mauvais mouvement et un diamant peuvent se séparer dans des directions indésirables; Pourtant, le cisaillement des avions plats n'est pas aussi simple que de trouver un couteau vraiment aiguisé. Les diamants sont le matériau naturel le plus dur sur Terre, donc l'un des principaux outils utilisés pour les couper est, naturellement, d'autres diamants.

C'est l'une des raisons pour lesquelles il est si rare de voir un diamant naturel parfaitement sphérique: nous n'avons pas d'outils assez durs pour « poncer » avec précision les bords plats. Au lieu de cela, les diamants naturels se fracturent le long des plans de clivage plat et les coupeurs de diamants utilisent cette propriété à leur avantage. Ils font des coupes initiales avec des scies ou des lasers à pointe de diamant, marquant le diamant à l'angle souhaité. Ensuite, un couperet en acier est forcé dans la rainure pour diviser le diamant en deux pièces. L'acier est l'un des métaux les plus forts de la Terre et a une ténacité plus élevée que le diamant, il peut donc résister à la force. Les moitiés diamant divisées sont presque parfaites moléculaires, car les visages des deux moitiés suivent le plan tétraédrique de la structure du réseau du diamant. Au niveau atomique, les liaisons covalentes entre les atomes de carbone sont coupées le long du plan plat.

Les dernières étapes de la coupe de diamants illustrent également la dureté élevée du matériau et la faible ténacité. Pour obtenir ces visages emblématiques et ces angles tranchants, les coupeurs utilisent à nouveau des diamants pour couper des diamants. Pendant la phase meurtrière, les diamants sont maintenus dans des bols de ciment avec juste le bord indésirable qui dépasse. Cette partie est ensuite frottée contre un autre diamant pour le porter sur une surface plane. Une fois le diamant en forme, il est poli avec une sorte de papier de verre fait de – vous l'avez deviné – de la poudre de diamant.