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La petite histoire du carbure de silicium... ou " MOISSANITE "
par Yves Lulzac et JJ Chevallier,
Centre de Recherche Gemmologique, Université de Nantes..
L'on doit à Ferdinand Frédérick Henri Moissan la première découverte de carbure de silicium naturel. C'était en 1904 alors qu'il étudiait des fragments de la météorite métallique du « Canyon Diablo" dans l'état de l'Arizona aux U.S.A. L'année suivante, G.F. Kunz officialisai cette découverte et honorait les travaux de Moissan en donnant le nom de moissanite à ce nouveau minéral.
La moissanite est la forme naturelle du carbure de silicium (SiC), elle est très rare sur Terre, sa constitution est essentiellement basée sur le polytype 6H du carbure de silicium, ou d'α-SiC, quoique d'autres polymorphes, y soient également présents.
La plupart des grains de moissanite naturelle sont des polytypes 6H et 15R (Shiryaev et al., 2011).
On rencontre un grand nombre de polytypes principalement hexagonaux ou rhomboédriques.
La moissanite est souvent présente sous forme de cristaux millimétriques dans certaines météorites (sidérites) et dans les kimberlites, sa forme synthétique, est une céramique haute performance très importante, plus communément appelée « carborundum » qui est un abrasif.
Un exemple inhabituel de moissanite formant des roches, également d'origine kimberlitique, est connu en Turquie (Di Pierro et al., 2003).
A l'époque de la découverte, le carbure de silicium n'était pas un composé chimique inconnu. Il avait été obtenu d'une manière fortuite en 1893 par Ed. G. Acheson au cours d'une tentative de fabrication de diamant dans un four à arc électrique. Pensant avoir affaire à un composé associant carbone et corindon, il lui donna le nom de carborundum. Ce sera le nom commercial de ce produit lorsqu'on lui reconnaîtra ses qualités abrasives et de dureté à la fin du 19ème siècle.
Depuis lors, la fabrication du carborundum ou carbure de silicium, ne cesse de s'accroître selon le même procédé dit "Acheson" dont le produit final se présente toujours sous la forme de cristaux aplatis ou de masses compactes peu ou non transparentes, de couleur verte à bleu-vert foncé. Étant destiné à être broyé en poudres plus ou moins fines, on ne cherche donc pas à en modifier le mode de fabrication jusqu'au jour où les besoins de l'industrie électronique réclamera un produit de plus grande pureté et en cristaux beaucoup plus gros.
Un procédé de fabrication basé sur la sublimation du carborundum sera alors mis au point en 1955 par Lely pour ensuite être amélioré aux U.S.A. par Davis et al. à partir de 1990. Ayant réussi à obtenir de gros cristaux de carborundum de très bonne qualité électronique, ces chercheurs déposeront un brevet de fabrication en février 1995.
Bien que certains détails de fabrication demeurent encore confidentiels, ce procédé de cristallisation par sublimation est maintenant bien connu. Il consiste à faire passer le carbure de silicium de la phase gazeuse à la phase solide, sans passer par la phase liquide.
Pour ce faire, du carborundum réduit en poudre est placé dans un creuset en graphite dont le centre est occupé par un tube vide de graphite poreux mais à l'intérieur et au fond duquel est disposé un petit cristal de carborundum servant de germe. Le creuset est soumis à une température de 2.300° centigrades dans un four à induction. La poudre de carborundum se vaporise et les gaz percolent au travers du tube pour venir se "condenser" sur le germe dont la température doit être inférieure d'une centaine de degrés par rapport à celle de la zone de vaporisation.
L'opération se réalise sous vide ou en atmosphère d'argon basse pression. Un cristal de 12 mm de diamètre et 6 mm d'épaisseur pouvait ainsi être obtenu dans un délai d'environ 6 heures. En général, le produit final se présente sous la forme d'une boule.
Ce carborundum purifié trouve de nombreuses applications dans l'industrie électronique, surtout dans le domaine des semi-conducteurs, des très hautes fréquences, des diodes lumineuses, des détecteurs UV, des composants soumis à de hautes températures, etc.
Enfin, les propriétés gemmologiques de ce matériau, très proches de celles du diamant, et pressenties déjà depuis de nombreuses années, vont être exploitées dès la fin de l'année 1997 aux U.S.A. par la firme Cree Research Inc. de Durham en Caroline du Nord. Un brevet de fabrication de carbure de silicium destiné à être utilisé en joaillerie sera déposé en juin 1998 par Hunter et al. pour le compte de la firme 3C, Inc. basée à Morrisville en Caroline du Nord, chargée de la commercialisation de ce nouveau produit de synthèse auquel on donnera le nom de moissanite.
Mais l'une des propriétés essentielles de la moissanite, sa très bonne conductivité thermique en l'occurrence, étant très peu différente de celle du diamant, un problème de détermination allait donc se faire jour auprès des négociants habitués depuis longtemps à séparer le diamant de ses imitations au moyen d'un appareil très connu sous le nom de thermoconductimètre ou, plus simplement, de "testeur de diamant".
C'est pourquoi, et afin de se prévenir de toute accusation de fraude, la firme 3C a mis au point un appareil destiné à distinguer facilement la moissanite du diamant. Hunter et al. en déposèrent le brevet dès novembre 1998.
Puis, en octobre 1999, la firme 3C se réorganise et prend le nom de "Charles & Colvard". Elle organise aussi une vaste campagne publicitaire en faveur de la moissanite, dont le coût fut évalué à 2 millions de dollars. De nombreux comptoirs seront établis dans le monde entier et, depuis lors, les ventes de pierres taillées ne cesseront de croître. Elles ont été estimées à 12,8 millions de dollars en 2000.
Cette production américaine ne semble pas avoir de concurrence mondiale sérieuse à cette époque. Tout au plus peut-on signaler, au cours de l'année 2000, la fabrication à Saint Petersbourg, en Russie, d'une petite quantité de pierres colorées en jaune, vert ou bleu. Elles seraient produites par le même procédé Lely modifié.
Depuis la mise en vente de la moissanite synthétique, certains négociants peu scrupuleux, profitant des caractéristiques particulières de ce nouveau matériau et aussi, il faut bien le dire, de l'inexpérience ou de l'incompétence de nombre de détaillants, n'ont pas hésité à le commercialiser sous le nom de diamant. D'où le nombre croissant de publications et de mises en garde contre des fraudes toujours possibles.
Le testeur Model 590 fabriqué par la firme 3C et destiné à mettre en évidence l'opacité de la moissanite à une certaine bande du spectre ultra-violet, n'est malheureusement pas fiable à 100%.
Un autre testeur dénommé "Synthetic Moissanite Megger Tester" a également été mis au point à la fin de l'année 1998. Il mesure la conductivité électrique résiduelle de la moissanite, mais il ne sait pas reconnaître certains diamants (dont des diamants bleus) eux-même conducteurs de l'électricité.
Aussi, pour déterminer sans ambiguïté possible la moissanite, doit-on faire appel à ses propriétés gemmologiques, finalement très différentes de celles de son modèle diamant.
Tout d'abord, le premier test à réaliser est celui de la thermoconductivité grâce au "testeur de diamant" bien connu de la plupart des bijoutiers ou joailliers. Si la réponse est négative, la pierre est évidemment une imitation autre que la moissanite. Si la réponse est franchement positive, on a alors affaire à un diamant ou à une moissanite. En effet, on ne connaît pas d'autres substituts du diamant actuellement sur le marché, capables de donner un test similaire (la bromellite naturelle ou synthétique et la cassitérite naturelle, très rarement taillées pour les collectionneurs de gemmes, possèdent une thermoconductivité nettement plus faible).
Deux cas peuvent alors se présenter :
- La pierre n'est pas montée. Il faut alors en évaluer la densité sachant que celle du diamant est de 3,52 et celle de la moissanite d'environ 3,21. Pour ce faire, il y a deux solutions possibles : soit calculer cette densité au moyen d'une balance hydrostatique ou de la balance d'Hanneman. Soit, beaucoup plus simplement, en immergeant la pierre dans un liquide de densité intermédiaire. Le iodure de méthylène (ou diiodométhane) de densité égale à 3,33 faisant parfaitement l'affaire. La moissanite flottera à la surface du liquide tandis que le diamant coulera au fond du récipient.
Si l'on ne dispose ni de l'un ni de l'autre, il sera toujours possible de peser la pierre d'un manière précise et, s'il s'agit d'une taille brillant classique, de comparer le poids obtenu à celui qu'aurait un véritable diamant de même diamètre. Un poids inférieur à la normale fera soupçonner la présence d'une moissanite.
- La pierre est montée. Il faut alors mettre en évidence ou non le phénomène de double réfraction. Le diamant, cristallisant dans le système cubique, est parfaitement isotrope et les arêtes des facettes, vues par transparence au moyen d'une loupe, resteront toujours simples et non doublées.
Par contre, la moissanite cristallisant dans le système hexagonal (sur les 150 polytypes connus de carbure de silicium, seul le polytype 6H.SiC de symétrie hexagonale est actuellement employé comme imitation du diamant en joaillerie), les arêtes des facettes apparaîtront fortement doublées vues par transparence à la loupe. Mais, étant donné que la plupart des moissanites sont taillées en fonction de leur orientation optique, ce phénomène de doublement des arêtes ne pourra être mis en évidence qu'en examinant la pierre par son rondiste ou par son pavillon. Il ne sera que rarement observé au travers de la table de la pierre.
L'examen, toujours à la loupe, des éventuelles inclusions de la pierre, peut également aider à la détermination des moissanites.
Contrairement à ce que l'on peut observer dans les diamants, ces inclusions sont constituées de canaux ou de tubes capillaires assez longs, parallèles entre eux et de même orientation que l'axe optique de la pierre. Ce qui revient à dire que ces canaux seront presque toujours perpendiculaires à la table de la pierre taillée.
Malheureusement, ces dernières méthodes d'identification ne peuvent pas toujours s'appliquer efficacement sur les petites pierres montées en "pavage" ou en serti clos. Dans ce cas il faut alors, soit dessertir la pierre et en mesurer la densité, soit avoir recours à l'un des "testeurs de moissanite" dont on a fait état plus haut, en gardant à l'esprit que leur fiabilité peut parfois être mise en défaut.
En dernier ressort, une dernière solution consiste à chauffer les pierres, sur une flamme de briquet, par exemple. Dans ce cas, les moissanites prendront une teinte jaunâtre réversible à froid ,alors que la teinte des diamant ne variera pas. Il s'agit là, d'une méthode qu'il vaut mieux éviter, dans la mesure du possible, sachant qu'elle ne peut s'appliquer que sur des pierres incolores.
Enfin, il est certain qu'un diamantaire ayant suffisamment d'expérience parviendra presque toujours à suspecter la présence d'une moissanite par ses « feux » très intenses, peu comparables avec ceux d'un diamant de taille moderne.
Depuis la découverte de Moissan faite en 1904, la moissanite demeure un minéral très rare dans la nature. On ne la trouve qu'en très petite cristaux fortement colorés et non gemmes dans certaines météorites, dans les alluvions de la Green River (état du Wyoming aux U.S.A.), dans les "pipes" diamantifères de Yakoutie (dont les "pipes" Mir et Zarnitza), ainsi que dans une brèche volcanique alcaline des Monts Tchèques.
Il y a donc très peu de chances pour qu'un jour l'on voit apparaître sur le marché des moissanites naturelles gemmes et taillées. Les moissanites de synthèse, colorées ou non, ont donc encore de beaux jours devant elles et, sauf découverte éventuelle d'un appareil infaillible capable de les distinguer des diamants, n'ont pas fini d'éveiller la méfiance des futurs acquéreurs de pierres précieuses...
Mais, actuellement, la moissanite gemme n'est plus l'imitation diabolique du diamant telle qu'elle était considérée à l'époque de sa mise en vente. Si elle est toujours produite et offerte sur le marché de la joaillerie, c'est dans des proportions beaucoup moindre que celles auxquelles on pouvait s'attendre autrefois. Cet état de chose est probablement à mettre sur le compte de la mise sur le marché d'une quantité plus importante de diamant synthétique, CVD ou HPHT, dont les coûts de fabrication actuels leur permettent une plus large diffusion auprès du grand public.
Quant aux méthodes de reconnaissance du diamant et de son substitut, elles n'ont guère varié. Sur papier, la plus fiable consiste toujours à vérifier la thermo conductivité positive, suivie d'une mesure de densité qui doit être inférieure à celle du diamant.
Pour les pierres montées, l'emploi des appareils de reconnaissance actuellement sur le marché est toujours recommandée bien que certaines erreurs soient parfois signalées. Pour être sûr, il vaut mieux vérifier le caractère optique de la pierre en mettant en évidence, à l'aide de la simple loupe 10x ou de la loupe binoculaire, le doublage des arêtes des facettes.
Pour ce qui concerne les moissanites noires, non transparentes, censées imiter le diamant noir, un test supplémentaire peut être employé. C'est celui de l'électro conductivité facilement mise en évidence avec un simple ohmètre ou un multimètre d'électricien. La réponse sera négative pour ce qui concerne le diamant noir, alors qu'elle sera fortement positive pour la moissanite noire.
Mise à Jour mai 2023.
Since 03-12-2021