Diamant
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Propriétés

Le diamant est une forme métastable du carbone dans les conditions de température et de pression normales. Il brûle dès 500 °C dans un courant d'air, mais s'il est maintenu à 1 100 °C sous atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) neutre, il se transforme en graphite.

Structure cristalline

Maille élémentaire d'un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon...) de diamant (Le diamant est un minéral composé de carbone (tout comme le graphite et la lonsdaléite), dont il représente l'allotrope de haute...)
Projection (La projection cartographique est un ensemble de techniques permettant de représenter la surface de la Terre dans son ensemble ou en partie sur la surface plane d'une carte.) stéréographique de la figure de pôles de la structure cristalline du diamant selon l'axe [111] qui démontre sa symétrie au long de la diagonale (On appelle diagonale d'un polygone tout segment reliant deux sommets non consécutifs (non reliés par un côté). Un polygone à n côtés possède diagonales.) d'espace du cube (En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont toutes les faces sont carrées. Les cubes figurent parmi les solides les plus remarquables de l'espace. C'est un des cinq solides de Platon, le seul ayant...) élémentaire

Dans son état naturel, le diamant possède une structure dérivée (La dérivée d'une fonction est le moyen de déterminer combien cette fonction varie quand la quantité dont elle dépend, son argument, change. Plus...) de la structure cubique à faces centrées, appelée structure type diamant où en plus des atomes au coins du cube et au centre de chaque face, quatre des huit sites tétraédrique sont occupés, ce qui donne finalement huit atomes par maille élémentaire (contre 4 pour une structure cfc classique), et fait que chaque atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se...) de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) a quatre voisins.

Cette structure est notée A4 en notation Strukturbericht. Son groupe d'espace est \mathrm{Fd\bar{3}m} (n°227), son symbole de Pearson est cF8. Son paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) de maille est :

a = 3,566 7 Å

Le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) d'une maille est de 45,37 Å3, la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le...) théorique est de 3,517.

Propriétés physiques

Sa masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation...) molaire est de 12,02 g·mol-1, sa masse volumique (Pour toute substance homogène, le rapport de la masse m correspondant à un volume V de cette substance est indépendante de la quantité choisie : c'est une caractéristique du...) mesurée est de 3 520 kg/m3.

Dans l'édifice cristallin du diamant, les liaisons entre atomes de carbones résultent de la mise en commun des électrons de la couche périphérique afin de former des couches saturées. Chaque atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) de carbone est ainsi associé de façon tétraédrique à ses quatre voisins les plus proches (hybridation sp3 du carbone), et complète ainsi sa couche extérieure. Ces liaisons covalentes, fortes et donc difficiles à casser, couvrent tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) le cristal, d'où sa très grande dureté (Il existe différentes définitions de la dureté : pour un solide (minéral ou métal) et pour l'eau.).

La forme liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) du diamant aurait la particularité comme l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) d'être plus dense que la forme solide d'après un article paru dans la revue Nature Physics. Les conditions pour la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) liquide pourraient être réunis sur Uranus et Neptune.

La conductivité électrique (La conductivité électrique est l'aptitude d'un matériau à laisser les charges électriques se déplacer librement, autrement dit à permettre le passage du courant électrique.) est basse, car les électrons ne se regroupent pas comme dans un métal : ils restent liés aux atomes et ne peuvent pas, par exemple sous l'action d'un champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence exercée à...) extérieur, former un nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de la...) électronique qui transporterait le courant de façon continue. En d'autres termes, le diamant est un très bon isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les isolants phoniques et les...). Néanmoins, il fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini...) d'études en tant que semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilité qu'un électron puisse contribuer à un courant...) à large bande pour l'électronique de puissance (L'électronique de puissance est l'une des branches de l'électrotechnique, elle concerne les dispositifs (convertisseurs) permettant de changer la forme de l'énergie...).

La conductivité thermique (La conductivité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des matériaux lors du transfert de chaleur par conduction. Cette constante apparaît par exemple...) du diamant est exceptionnelle, ce qui explique pourquoi il paraît si froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) au toucher (Le toucher, aussi appelé tact ou taction, est l'un des cinq sens de l'homme ou de l'animal, essentiel pour la survie et le développement des êtres vivants, l'exploration, la reconnaissance, la...). Ce minéral est, de loin, le meilleur conducteur connu de la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !). Dans un cristal isolant électrique comme le diamant, la conductivité thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents...) est assurée par les vibrations cohérentes des atomes de la structure. Des valeurs de 2 500 W/(m·K) ont été mesurées, que l'on peut comparer aux 401 W/(m·K) du cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses...) et aux 429 W/(m·K) de l'argent (L’argent ou argent métal est un élément chimique de symbole Ag — du latin Argentum — et de numéro atomique 47.). Cette propriété en fait un candidat comme substrat pour le refroidissement des semi-conducteurs.

Enfin, le coefficient de dilatation (Les coefficients de dilatation mesurent l'augmentation relative de volume d'un système lorsque l'on ne fait varier qu'un seul paramètre, en général la...) du diamant, lié aux propriétés des vibrations de la structure de ce matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...), est très faible. Pour le diamant pur, l'accroissement relatif de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en...) par degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) est d'environ un millionième à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de...) ambiante, que l'on peut comparer aux 1,2 millionièmes de l'Invar, alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments chimiques.) constitué de 64 % de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme pure ou d'alliages....) et de 36 % de nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.), qui est réputé pour sa très faible dilatation (La dilatation est l'expansion du volume d'un corps occasionné par son réchauffement, généralement imperceptible. Dans le cas d'un gaz, il y a dilatation à pression constante ou maintien du volume et...). Le fer est très loin derrière, avec 11,7 millionièmes.

Propriétés optiques

Le diamant est transparent, translucide ou opaque ; son indice de réfraction (L'indice de réfraction provient du phénomène de réfraction qui désigne le changement de direction de la lumière au passage d'un milieu à un autre. La notion d'indice a d'abord été introduite empiriquement comme...) est particulièrement élevé, et varie en fonction de la longueur d'onde : ce sont ces propriétés qui lui donnent son éclat caractéristique, « adamantin ». Cet indice est de 2,407 pour la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs...) rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) (687 nm), 2,417 pour la lumière jaune (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même couleur :) (589 nm), 2,426 pour la lumière verte (527 nm) et 2,451 pour la lumière violette (431 nm).

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