Anar al contingut

Diamant sintètic

De L'Enciclopèdia, la wikipedia en valencià
Diamant sintètic
Vore també: diamant d'imitació
Sis cristals de diamant no faceteados, de 2-3 mm de tamany; els colors dels diamants són groc, vert-groc, vert-blau, blau clar, blau clar, i blau obscur
Diamants sintètics de varis colors, creixcuts per la tècnica d'alta pressió i alta temperatura.

Els diamants sintètics són diamants produïts en processos tecnològics, en oposició als diamants naturals, que són creats en processos geològics. Els diamants sintètics també són coneguts com a diamants CVD, a on CVD es referix al método de producció, que són la síntesis d'alta pressió i alta temperatura (en anglés: high-pressure high-temperature), i deposición química de vapor (en anglés: chemical vapor deposition), respectivament. No obstant, els diamants "naturals del tipo IIa", normalment de color marró, reben també tractament HPHT (exposició a altes pressions i altes temperatures), conseguint en est processe diamants molt blancs. Recalcar per últim que no es pot confondre el método CVD (diamants de laboratori) en el procés HPHT realisat en diamants d'orige geològic.

Entre 1879 i 1928, va haver varis intents d'adjudicar-se la fabricació de diamants sintètics molts dels quals varen ser analisats cuidadosadament i cap ha segut confirmat. En 1940, va escomençar una investigació sistemàtica en els Estats Units, Suècia i l'Unió Soviètica, per a sintetisar diamants usant els processos de deposición química de vapor i d'alta pressió i alta temperatura. La primera síntesis reproduible va ser reportada al voltant de 1953. Estos dos processos encara dominen la producció de diamants sintètics. Un tercer método, conegut com a síntesis de detonació, ha ingressat al mercat del diamant a finals de la década de 1990. En este procés, són creats grans de diamant de tamany en l'escala nanométrica, per mig de la detonació d'explosius que contenen carbono. Ha segut demostrat un quart método en el laboratori: tractar grafit en ultrasò d'alta potència, pero no té encara aplicacions comercials.

Les propietats del diamant sintètic depenen dels detalls dels processos de manufactura, i poden ser inferiors o superiors a les dels diamants naturals: la durea, conductivitat tèrmica i movilitat electrònica són superiors en alguns diamants sintètics (tant HPHT o CVD). Conseqüentment, els diamants sintètics són àmpliament usats en abrasivos, tallat i ferramentes de poliment, i en disipadores tèrmics. Estan sent desenrollades aplicacions electròniques dels diamants sintètics, incloent interruptorés d'alt poder en centrals elèctriques, transistors d'efecte de camp d'alta freqüència, i LEDs. S'usen detectors de diamant sintètic de llum ultravioleta (UV) o de partícules d'alta energia en centres d'investigació d'alta energia, i estan disponibles comercialment. Per la seua combinació única d'estabilitat tèrmica i química, baixa expansió tèrmica, i alta transparència òptica en un ranc espectral ampli, els diamants sintètics estan convertint-se en el material més popular per a la fabricació de finestres òptiques en làser de CO2 d'alta potència, i girotrones.

Tant els diamants CVD i HPHT poden ser tallats en gemas i poden ser produïts varis colors: blanc clar, groc, marró, blau, vert i anaranjado. L'apariència de les gemas sintètiques en el mercat ha creat preocupacions importants en el negoci de comercialisació de diamants, com a resultat del com s'han desenrollat tècniques i dispositius espectroscópicos per a distinguir entre diamants sintètics i naturals.

Història

[editar | editar còdic]

Despuix del descobriment, en 1797, de que el diamant era carbono pur, s'han fet molts intents per a convertir vàries formes barates de carbono en diamant. Els èxits més primerencs varen ser reportats per James Ballantyne Hannay en 1879 i per Henri Moissan en 1893. El seu método involucrava calfar hulla a 3500 °C en ferro en un forn. Encara que Hannay va usar un tubo calfat a la flama, Moissan va aplicar la seua recentment desenrollat forn d'arc elèctric, en el que un arc elèctric era llançat entre barres de carbono dins de blocs de calç. El ferro fos era ràpidament gelat per immersió en aigua. La contracció generada pel refredat, supostament produïa l'alta pressió requerida per a transformar el grafit en diamant. Moissan va publicar el seu treball en una série d'artículs en la década de 1890.

Molts atres científics varen intentar replicar els seus experiments. Sir William Crookes va declarar èxit en 1909. Otto Ruff va declarar, en 1917, haver produït diamants de fins a 7 mm de diàmetro, pero posteriorment es va retractar de la seua asseveració.[1] En 1926, el Dr. Willard Hershey del McPherson College va replicar els experiments de Moissan i Ruff,[2][3] produint un diamant sintètic; este espècimen està en exhibició en el McPherson Museum en Kansas.[4] A pesar de les declaracions de Moissan, Ruff, i Hershey, atres experimentadores han segut incapaces de reproduir les seues síntesis.[5]

Els intents de replicació més definitius varen ser portats a terme per Sir Charles Algernon Parsons. Científic i ingenier prominent, conegut per la seua invenció de la turbina de vapor, va passar 30 anys (1882-1922) i va gastar una part considerable de la seua fortuna intentant reproduir els experiments de Moissan i Hannay, pero també va adaptar processos pel seu propi conte. Parsons va ser conegut per la seua aproximació minuciosament exacta i la seua metodicidad en l'almagasenament de registres: tots els seus resultats varen ser preservats per a posterior anàlisis per un equip independent.[6] Va escriure un número d'artículs—alguns dels més primerencs sobre diamants HPHT—en els que declarava haver produït diamants menuts. No obstant, en 1928, va autorisar al Dr. C.H. Desch a publicar un artícul en el que enunciava la seua creència de que no havia segut produïts diamants sintètics a la data (incloent els de Moissan i uns atres). Va sugerir que la majoria de diamants que s'havien produït fins a eixe punt eren com espinelas sintètiques.

Proyecte de diamant de la General Electric

[editar | editar còdic]

En 1941, es va establir un acort entre les companyies General Electric (GE), Norton i Carborundum per a desenrollar una síntesis de diamant. Varen ser capaços de calfar carbó fins a prop de 3000 °C baix una pressió de 3,5 GPa per uns pocs segons. Poc despuix, la Segona Guerra Mundial va interrompre el proyecte. Va ser repres/représ en 1951 en els Schenectady Laboratories de la General Electric, i es va formar un grup de diamant d'alta pressió en F.P. Bundy i H.M. Strong. Howard Tracy Hall i uns atres es varen unir a este proyecte poc despuix.[7]

El grup Schenectady va fer millores en els encluses dissenyats per Percy Bridgman, qui va rebre un Premi Nobel pel seu treball en 1946. Bundy i Strong varen fer les primeres millores, després Hall va realisar unes atres. L'equip de G.E. va amprar prenses de carbur de wolframio dins d'una prensa hidràulica per a comprimir una mostra en carbó continguda en un contenidor de catlinita. L'equip va registrar la síntesis de diamant en una ocasió, pero l'experiment no va poder ser reproduït degut les incertes condicions de síntesis.[8]

Una prensa de 3 metros d'altura
Una prensa de correja produïda en la década de 1980 per KOBELCO.

Hall va conseguir la seua primera síntesis comercial exitosa del diamant el 16 de decembre de 1954, i açò va ser anunciat el 15 de febrer de 1955. Este guany es va conseguir usant una prensa de "correja", que és capaç de produir pressions per damunt dels 10 GPa, i temperatures sobre els 2000 °C.

En la prensa de "correja" (vore a continuació) s'introduïa un contenidor de pirofilita farcidura de grafit dissolt en níquel, cobalt, o ferro fos. Estos metals actuaven com un "solvent-catalisador", que tant dissolien al carbono com acceleraven la seua conversió en diamant. El diamant més gran conseguit va ser de 0.15 mm de llarc, massa chicotet i visualment imperfecte per a joyeria, pero utilisable com a abrasivo industrials. Els colaboradors de Hall varen ser capaços de replicar el seu treball, i el descobriment va ser publicat en la revista Nature. Va ser la primera persona en fer créixer un diamant sintètic en un procés reproduible, verificable i ben documentat. Va abandonar la General Electric en 1955, i tres anys més tart va desenrollar un nou aparat per a la síntesis de diamant —una prensa tetraèdrica en quatre encluses— per a evitar infringir el seu palés prèvia, que encara estava assignada a General Electric.[9] Hall va rebre el Premi de l'American Chemical Society d'Invenció Creativa pel seu treball en la síntesis del diamant.[10]

Posteriors desenrolls

[editar | editar còdic]

Va ser conseguida una síntesis independent del diamant el 16 de febrer de 1953 en Estocolm, Suècia, pel Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget (ASEA), una de les principals companyies manufactureras sueques. Escomençant en 1949, ASEA va contractar a un equip de cinc científics i ingeniers com a part d'un proyecte ultrasecreto de fabricació de diamant, en nom clau QUINTUS. L'equip va usar un aparat dissenyat per Baltzar von Platen i Anders Kämpe.[7] La pressió va ser mantinguda dins del dispositiu a un estimat de 8,4 GPa durant una hora. Varen ser produïts uns pocs diamants menuts, pero no del tamany ni calitat de gema. El treball no va ser reportat fins a la década de 1980.[11] Durant la década de 1980, un nou competidor va emergir en Corea, una companyia denominada Iljin Diamond; va ser seguida per centenars d'empreses chinenques. Iljin Diamond va alegar haver conseguit la síntesis de diamant en 1988 apropiant-se inadecuadamente de secrets comercials de la General Electric, a través d'un anterior amprat coreà de la GE.[12][13]

Un escalpelo de diamant, que consistix en un full de diamant groc unida a un soport en forma de llapis
Un escalpelo en full d'un sol cristal de diamant sintètic.

Els primers cristals sintètics de diamant de calitat de gema es varen crear en 1970 per la General Electric, sent publicats en 1971. Els primers èxits varen usar un tubo de pirofilita en primes peces de diamant a abdós extrems del tubo. El material d'alimentació, grafit, se situava en el centre, i el solvent metàlic (níquel) entre el grafit i els diamants. El contenidor es calfa i la pressió aumenta fins a aproximadament 5,5 GPa. Els cristals creixen al mateix temps que fluïxen des del centre als extrems del tubo, i estenent la llongitut del procés es produïx cristals més grans. Inicialment, un procés de creiximent d'una semana produïa pedres de calitat de gema d'aproximadament 5 mm (1 quilat o 0,2g), les condicions de procés tenien que ser lo més estables possibles. L'alimentació per grafit pronte es va reemplaçar per grans de diamant, que permetien un millor control de la forma final del cristal.

Les primeres pedres de calitat de gema sempre eren d'un color de groc a marró, per la contaminació en nitrogen. Les inclusions eren comunes, especialment de forma aplanada, degudes al níquel. L'eliminació de tot el nitrogen del procés per mig de l'adició d'alumini o titani produïa pedres "blanques" incoloras, i l'eliminació de nitrogen i adició de bor produïa les blaves. No obstant, l'eliminació del nitrogen ralentisava el procés de creiximent, i reduïa la calitat cristalina, aixina que el procés era eixecutat normalment en nitrogen present.

Encara que les pedres de la GE i els diamants naturals eren químicament idèntics, les seues propietats físiques no eren les mateixes. Les pedres incoloras produïen forta fluorescència i fosforescència baix llum ultravioleta de llongitut d'ona curta, pero eren inertes baix UV d'ona llarga. Entre els diamants naturals, solament les gemas blaves més rares exhibien estes propietats. A diferència dels diamants naturals, totes les pedres de la GE mostraven fluorescència groga baix els rajos X.[14] El Diamond Research Laboratory de De Beers ha fet créixer pedres fins als 25 quilats, en propòsits d'investigació. Es varen mantindre condicions estables HPHT per 6 semanes per a fer créixer diamants d'alta calitat d'este tamany. Per raons econòmiques, el creiximent de la majoria de diamants sintètics és terminat quan alcancen una massa d'1 a 1,5 quilats.[15]

En la década de 1950, va escomençar una investigació en l'Unió Soviètica i USA respecte al creiximent de diamant per pirólisis de gasos d'hidrocarburs a la temperatura relativament baixa de 800 °C. Este procés de baixa pressió és conegut com deposición química de vapor (CVD). William G. Eversole va reportar haver conseguit la deposición de vapor de diamant sobre substrat de diamant en 1953, pero no va ser reportat fins a 1962.[16] La deposición de película de diamant va ser reproduïda independentment per Angus i el seu equip en 1968 i per Deryagin i Fedoseev en 1970. Mentres que Eversole i Angus varen usar un únic cristal de diamants, gran i car, com a substrats, Deryagin i Fedoseev varen tindre èxit en fer películes de diamant sobre materials distints al diamant (silici i metals), que va conduir a una investigació massiva en recobriment barats de diamant en la década de 1980[17]

Tecnologies de fabricació

[editar | editar còdic]

Hi ha varis métodos utilisats per a produir diamants sintètics. El método original utilisa alta pressió i alta temperatura (HPHT) i encara s'utilisa àmpliament pel seu cost relativament baix. El procés implica grans prenses que poden pesar centenars de tonellades per a produir una pressió de 5 GPa a 1500 °C. El segon método, utilisant deposición de vapor químic (CVD), es crea un plasma de carbono sobre un substrat sobre el que es deposita el carbono per a formar estructures de diamant. Atres métodos inclouen la formació per mig d'explosius (la formació de nano-diamants de detonació ) i sonicación de solucions de grafit.[18][19][20]

El método d'alta pressió alta temperatura HPHT

[editar | editar còdic]
A schematic drawing of a vertical cross section through a press setup. The drawing illustrates how the central unit, held by dies on its sides, is vertically compressed by two anvils
Esquema d'una prensa de cinta

En el método HPHT, existixen tres dissenys principals de prensa utilisats per a suministrar la pressió i la temperatura necessària per a produir diamant sintètic: la prensa de cinta, la prensa cúbica i la d'esfera fraccionada (o prensa BARS).

El desenroll original de GE per Tracy Hall utilisa una prensa de cinta en la que les encluses superior i inferior suministrar la càrrega de pressió a una cèlula cilíndrica interior. Esta pressió interna es llimita radialment per un cinturó de bandes d'acer pretensado. Les encluses també servixen com a electrodos que proporciona corrent elèctrica a la cela comprimida per a calfar-la. Una variació de la prensa de cinta utilisa la pressió hidràulica, en lloc de cables d'acer, per a llimitar la pressió interna.[21] Les prenses de banda encara s'utilisen hui en dia, pero són una escala molt major que el disseny original.[22]

El segon tipo de disseny de la prensa és la prensa cúbica. Una prensa cúbic té sis encluses que proporcionen la pressió de forma simultànea en totes les cares d'un volum en forma de gaveta.[23] El primer disseny de prensa multi-enclusa era una prensa tetraèdrica, en quatre encluses que convergixen en un volum en forma de tetraedre.[24] La prensa cúbic es va crear poc despuix d'aumentar el volum somés a pressió. Una prensa cúbica és típicament menor que una prensa de correja i es pot conseguir més ràpidament la pressió i la temperatura necessària per a crear diamant sintètic. No obstant, els prenses cúbics no pot ser fàcilment ampliat a majors volums: el volum a pressió es pot aumentar per mig de l'us de grans encluses, pero açò també aumenta la cantitat de força necessària en les encluses per a alcançar la mateixa pressió. Una alternativa és disminuir l'àrea de superfície en relació en el volum del volum a pressió, per mig de l'us de més encluses per a convergir en un sòlit platònic d'orde superior, tal com un dodecaedre. No obstant, tal prensa seria complex i difícil de fabricar.[23]

A schematic drawing of a vertical cross-section through a BARS press: the synthesis capsule is surrounded by four tungsten carbide inner anvils. Those inner anvils llaure compressed by four outer steel anvils. The outer anvils llaure held a disk barrel and llaure immersed in oil. A rubber diaphragm is plagau between the disk barrel and the outer anvils to prevent oil from leaking
Esquema d'una prensa BARS; el tamany del tubo exterior està reduït per a facilitar la presentació

La prensa BARS és la més compacta, eficaç i econòmica de totes les prenses productores de diamant. En el centre d'un dispositiu de barres, una ceràmica cilíndrica "càpsula síntesis" d'aproximadament 2 cm³ de tamany. La cèlula es coloca en una gaveta de transmissió de pressió material, tal com ceràmica pirofilita, que és pressionat per encluses interiors fetes de carbur cementado (per eixemple, carbur de wolframio o aleació dura VK10).[25] La cavitat octaèdrica exterior és pressionat per 8 exteriors d'acer encluses. Despuix del montage, tot el conjunt està tancat en un barril de tipo disc en un diàmetro d'aproximadament 1 metro. El barril s'ompli en oli, que presuriza per calfament, i la pressió de l'oli es transferix a la cèlula central. La càpsula síntesis es calfa per mig d'un calfador coaxial de grafit i la temperatura es medix en un termoparell.[26]

Deposición química de vapor (CVD)

[editar | editar còdic]

La deposición química de vapor és un método pel qual el diamant que es crea a partir d'una mescla de gasos d'hidrocarburs. Des de la década de 1980, este método ha segut objecte d'intensiva investigació a nivell mundial. Considerant que la producció en massa de cristals de diamant d'alta calitat fan que el procés HPHT l'elecció més adequada per a aplicacions industrials, la flexibilitat i la simplicitat de la configuració de el ECV expliquen la popularitat d'este método en els laboratoris d'investigació. Les ventages de la ECV creiximent del diamant inclouen la capacitat de créixer diamants sobre àrees grans i en varis substrats, i el control precís de les impurees químiques i aixina produït propietats del diamant. A diferència de HPHT, procés CVD no requerix altes pressions, com el creiximent es produïx normalment a pressions menors de 27 kPa.

Detonació d'explosius

[editar | editar còdic]

AP Es pot formar nanocristales de diamant (5 nm de diàmetro) per mig de la detonació de certs explosius que contenen carbono i són deficients en oxigen (vore: Equacions de Kamlet-Jacobs) en una cambra de metal. Estos nanocristales reben el nom de "nanodiamantes de detonació". Durant l'explosió, la pressió i la temperatura en la cambra és lo suficientment alta com per a convertir el carbono dels explosius en diamant. Estant immersos en l'aigua, la cambra es gela ràpidament despuix de l'explosió, i es deté la conversió del diamant recent produït a grafit més estable.[27] En una variació d'esta tècnica, un tubo de metal ple de pols de grafit es coloca en la cambra de detonació. L'explosió calfa i comprimix el grafit lo suficient per a la seua conversió en diamant.[28] El producte és sempre rica en formes de carbono grafit i uns atres no-diamant i requerix una prolonga permanència en àcit nítric calent (al voltant d'1 dia a 250 °C) per a dissoldre'ls.[19] La pols recuperada en nanodiamantes s'usa principalment en aplicacions de poliment. Es produïx principalment en China, Rússia i Bielorússia, i va començar a aplegar al mercat en grans cantitats a principis de la década del 2000.[29]

Cavitación per ultrasò

[editar | editar còdic]

Es pot sintetisar cristals de diamant, del tamany del micrón a partir d'una suspensió de grafit en un líquit orgànic a pressió atmosfèrica i temperatura ambiente utilisant cavitación per ultrasons. El rendiment del diamant és d'aproximadament 10% del pes inicial de grafit. El cost estimat de diamant produït per este método és comparable a la del método HPHT; la perfecció cristalina del producte és significativament pijor en este método. Esta tècnica requerix un equip relativament senzill i els procediments, pero solament ha segut reportat per dos grups d'investigació, i no té cap us industrial a partir de 2009. Numerosos paràmetros de procés, tals com la preparació de la pols de grafit inicial, l'elecció d'energia ultrasònica, el temps de síntesis i el dissolvent, encara no s'han optimisat, deixant una finestra per a la millora del potencial de l'eficiència i la reducció del cost de la síntesis d'ultrasons.[20][30]

Referències

[editar | editar còdic]
  1. ↑ K. Nassau (1980). Gems made by Man, Chilton Book Co., pp. 12–25. ISBN 0801967732.
  2. ↑ J. Willard Hershey (2004). The Book of Diamonds: Their Curious Lore, Properties, Tests and Synthetic Manufacture, Kessinger Publishing, pp. 123-130. ISBN 1417977159.
  3. ↑ J. Willard Hershey PhD (1940). Book of Diamonds, Heathside Press, New York, pp. 127-132. ISBN 0486418162.
  4. ↑ «Permanent collection». McPherson museum. Archivat des d'el original, el 14 de juliol de 2009. Consultat el 8 d'agost de 2009.
  5. ↑ M. O'Donoghue (2006). Gems, Elsevier, p. 473. ISBN 0-75-065856-8.
  6. ↑ Barnard, pp. 6-7
  7. ↑ 7,0 7,1 R. M. Hazen (1999). The diamond makers, Cambridge University Press, pp. 100–113. ISBN 0521654742.
  8. ↑ O'Donoghue, p. 474
  9. ↑ Barnard, pp. 40-43
  10. ↑ «ACS Award for Creative Invention». American Chemical Society. Archivat des d'el original, el 5 d'octubre de 2011. Consultat el 8 d'agost de 2009.
  11. ↑ Barnard, pp. 31-33
  12. ↑ General Electric v. Sung, 843 F. Supp. 776: "granting production injunction against Iljin Diamond" cited in M. A. Epstein (1998). Epstein on intellectual property, Aspen Publishers Online, p. 121. ISBN 0735503192.
  13. ↑ Wm. C. Hannas (2003). The writing on the wall, University of Pennsylvania Press, pp. 76-77. ISBN 0812237110.
  14. ↑ Barnard, p. 166
  15. ↑ (2005).Diam. Rel. Mater..14(11–12)doi:10.1016/j.diamond.2005.09.007.
  16. ↑ W. G. Eversole "Synthesis of diamond" Plantilla:US patent, 17 d'abril de 1962
  17. ↑ Spear and Dismukes, pp. 265-266
  18. ↑ (1998).Rep. Prog. Phys..61(12)doi:10.1088/0034-4885/61/12/002.
  19. ↑ 19,0 19,1 Osawa, I(2007).Diamond and Related Materials.16(12)doi:10.1016/j.diamond.2007.08.008.
  20. ↑ 20,0 20,1 (2004).Doklady Physics.49(3)doi:10.1134/1.1710678.
  21. ↑ «HPHT synthesis». International Diamond Laboratories. Archivat des d'el original, el 1 de maig de 2009. Consultat el 5 de maig de 2009.
  22. ↑ Barnard, p. 150
  23. ↑ 23,0 23,1 Ito, E. (2007). G. Schubert (ed.). Multianvil cells and high-pressure experimental methods, in Treatise of Geophysics, Elsevier, Amsterdam, pp. 197–230. ISBN 0-8129-2275-1.
  24. ↑ [enllaç trencat]
  25. ↑ Loshak, M. G. and Alexandrova, L. I.(2001).Int. J. Refractory Metals and Hard Materials.19doi:10.1016/S0263-4368(00)00039-1.
  26. ↑ (2002).Lithos.60(3–4)doi:10.1016/S0024-4937(01)00079-2.
  27. ↑ Iakoubovskii, K.(2000).Diamond and Related Materials.9(3–6)doi:10.1016/S0925-9635(99)00354-4.
  28. ↑ Decarli, P. and Jamieson, J.Science.133(3467)
    1821–1822.doi:10.1126/science.133.3467.1821.
  29. ↑ Dolmatov, V. Yu.(2006).Russian Journal of Applied Chemistry.79(12)doi:10.1134/S1070427206120019.
  30. ↑ (2008).Diam. Relat. Mater..17(6)doi:10.1016/j.diamond.2008.01.112.
Obtingut de «https://www.lenciclopedia.org/w/index.php?title=Diamant_sintètic&oldid=897261»