Diament syntetyczny
Diament wyhodowany w laboratorium ( LGD ; zwany także diamentem wyhodowanym w laboratorium , stworzonym w laboratorium , sztucznym , syntetycznym lub hodowlanym ) to diament wyprodukowany w kontrolowanym procesie technologicznym (w przeciwieństwie do diamentu uformowanego naturalnie ) , który powstaje w wyniku procesów geologicznych i pozyskiwany jest w wyniku wydobycia ). W przeciwieństwie do imitacji diamentów (imitacje diamentu wykonane z powierzchownie podobnych materiałów niediamentowych), diamenty syntetyczne składają się z tego samego materiału co diamenty powstałe naturalnie – czystego węgla skrystalizowanego w izotropowej postaci 3D – i mają identyczne właściwości chemiczne i fizyczne .
W latach 1879-1928 odnotowano liczne twierdzenia dotyczące syntezy diamentów; większość z tych prób została dokładnie przeanalizowana, ale żadna nie została potwierdzona. W latach czterdziestych XX wieku w Stanach Zjednoczonych, Szwecji i Związku Radzieckim rozpoczęto systematyczne badania nad tworzeniem diamentów , których kulminacją była pierwsza powtarzalna synteza w 1953 r. Dalsza działalność badawcza zaowocowała odkryciem diamentów HPHT i diamentów CVD , nazwanych tak od metody ich wytwarzania ( wysokociśnieniowe wysokotemperaturowe i chemiczne osadzanie z fazy gazowej odpowiednio). Te dwa procesy nadal dominują w produkcji diamentów syntetycznych. Trzecia metoda, w której nanometrów są tworzone w detonacji materiałów wybuchowych zawierających węgiel, znana jako synteza detonacyjna , pojawiła się na rynku pod koniec lat 90. Czwarta metoda, obróbka grafitu ultradźwiękami o dużej mocy , została zademonstrowana w laboratorium, ale obecnie nie ma zastosowania komercyjnego.
Właściwości sztucznego diamentu zależą od procesu produkcyjnego. Niektóre diamenty syntetyczne mają właściwości, takie jak twardość , przewodność cieplna i ruchliwość elektronów , które są lepsze niż większość naturalnie uformowanych diamentów. Diament syntetyczny jest szeroko stosowany w materiałach ściernych , narzędziach do cięcia i polerowania oraz w radiatorach . Opracowywane są elektroniczne zastosowania syntetycznego diamentu, w tym przełączniki dużej mocy w elektrowniach , wysokiej częstotliwości tranzystory polowe i diody elektroluminescencyjne . Syntetyczne diamentowe detektory ultrafioletowego (UV) lub cząstek o wysokiej energii są używane w wysokoenergetycznych ośrodkach badawczych i są dostępne na rynku. Ze względu na unikalne połączenie stabilności termicznej i chemicznej, niskiej rozszerzalności cieplnej i wysokiej przezroczystości optycznej w szerokim zakresie widmowym , syntetyczny diament staje się najpopularniejszym materiałem na okna optyczne w laserach CO
2 dużej mocy i żyrotronach . Szacuje się, że 98% popytu na diamenty klasy przemysłowej jest zaopatrywane w diamenty syntetyczne.
Zarówno diamenty CVD, jak i HPHT można ciąć na klejnoty i wytwarzać różne kolory: przezroczysty biały, żółty, brązowy, niebieski, zielony i pomarańczowy. Pojawienie się syntetycznych klejnotów na rynku wywołało poważne obawy w handlu diamentami, w wyniku czego opracowano specjalne urządzenia i techniki spektroskopowe do rozróżniania diamentów syntetycznych i naturalnych.
Historia
Po odkryciu w 1797 r., że diament jest czystym węglem, podjęto wiele prób przekształcenia różnych tanich form węgla w diament. Najwcześniejsze sukcesy odnotowali James Ballantyne Hannay w 1879 r. I Ferdinand Frédéric Henri Moissan w 1893 r. Ich metoda polegała na podgrzaniu węgla drzewnego do temperatury 3500 ° C (6330 ° F) z żelazem wewnątrz tygla węglowego w piecu. Podczas gdy Hannay używał rury ogrzewanej płomieniem, Moissan zastosował swój nowo opracowany elektryczny piec łukowy , w którym zajarzano łuk elektryczny między prętami węglowymi wewnątrz bloków wapna . Stopione żelazo następnie szybko schłodzono przez zanurzenie w wodzie. Skurcz wywołany chłodzeniem rzekomo wytworzył wysokie ciśnienie wymagane do przekształcenia grafitu w diament. Moissan opublikował swoją pracę w serii artykułów w latach 90. XIX wieku.
Wielu innych naukowców próbowało powtórzyć jego eksperymenty. Sir William Crookes odniósł sukces w 1909 r. Otto Ruff twierdził w 1917 r., Że wyprodukował diamenty o średnicy do 7 mm (0,28 cala), ale później wycofał swoje oświadczenie. W 1926 roku dr J. Willard Hershey z McPherson College powtórzył eksperymenty Moissana i Ruffa, wytwarzając syntetyczny diament; ten okaz jest wystawiany w McPherson Museum w Kansas. Pomimo twierdzeń Moissana, Ruffa i Hersheya, inni eksperymentatorzy nie byli w stanie odtworzyć ich syntezy.
Najbardziej ostateczne próby replikacji zostały przeprowadzone przez Sir Charlesa Algernona Parsonsa . Wybitny naukowiec i inżynier znany z wynalezienia turbiny parowej spędził około 40 lat (1882–1922) i znaczną część swojej fortuny, próbując odtworzyć eksperymenty Moissana i Hannaya, ale także zaadaptował własne procesy. Parsons był znany ze swojego niezwykle dokładnego podejścia i metodycznego prowadzenia dokumentacji; wszystkie otrzymane przez niego próbki zostały zachowane do dalszej analizy przez niezależną stronę. Napisał wiele artykułów - jedne z najwcześniejszych na temat diamentów HPHT - w których twierdził, że wyprodukował małe diamenty. Jednak w 1928 roku upoważnił dr CH Descha do opublikowania artykułu, w którym wyraził przekonanie, że do tej daty nie wyprodukowano żadnych syntetycznych diamentów (w tym diamentów Moissana i innych). Zasugerował, że większość diamentów, które zostały wyprodukowane do tego momentu, była prawdopodobnie syntetyczna spinel .
MORZE
Pierwsza znana (ale początkowo nieopisana) synteza diamentu została osiągnięta 16 lutego 1953 r. W Sztokholmie przez ASEA (Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget), główną szwedzką firmę produkującą sprzęt elektryczny. Począwszy od 1942 roku, ASEA zatrudniała zespół pięciu naukowców i inżynierów w ramach ściśle tajnego projektu wytwarzania diamentów o kryptonimie QUINTUS. Zespół użył nieporęcznego aparatu z rozszczepioną kulą, zaprojektowanego przez Baltzara von Platena i Andersa Kämpe. W urządzeniu utrzymywano ciśnienie około 8,4 GPa (1 220 000 psi) i temperaturę 2400 ° C (4350 ° F) przez godzinę. Wyprodukowano kilka małych diamentów, ale nie o jakości ani wielkości klejnotu.
Ze względu na pytania dotyczące procesu patentowego i uzasadnione przekonanie, że na całym świecie nie przeprowadzono żadnych innych poważnych badań nad syntezą diamentów, zarząd ASEA zdecydował się na reklamę i wnioski patentowe. Tak więc ogłoszenie wyników ASEA nastąpiło wkrótce po konferencji prasowej GE z 15 lutego 1955 roku.
Diamentowy projekt GE
General Electric (GE), Norton i Carborundum zawarto porozumienie w sprawie dalszego rozwoju syntezy diamentów. Byli w stanie podgrzać węgiel do około 3000 ° C (5430 ° F) pod ciśnieniem 3,5 gigapaskala (510 000 psi) przez kilka sekund. Wkrótce potem II wojna światowa przerwała realizację projektu. Został wznowiony w 1951 roku w Schenectady Laboratories of GE, a wraz z Francisem P. Bundy i HM Strongiem utworzono grupę diamentów wysokociśnieniowych. Tracy Hall i inni dołączyli do projektu później.
Grupa Schenectady udoskonaliła kowadła zaprojektowane przez Percy'ego Bridgmana , który otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za swoją pracę w 1946 roku. Bundy i Strong dokonali pierwszych ulepszeń, a następnie Hall wprowadził kolejne. Zespół GE użył z węglika wolframu w prasie hydraulicznej, aby wycisnąć próbkę węglową trzymaną w katlinicie pojemnika, gotowy grys jest wyciskany z pojemnika do uszczelki. Zespół zarejestrował kiedyś syntezę diamentu, ale eksperymentu nie można było powtórzyć z powodu niepewnych warunków syntezy, a później wykazano, że diament był naturalnym diamentem używanym jako zarodek.
Hall dokonał pierwszej komercyjnie udanej syntezy diamentu 16 grudnia 1954 r., A ogłoszono to 15 lutego 1955 r. Jego przełomem było użycie prasy „taśmowej”, która była w stanie wytworzyć ciśnienie powyżej 10 GPa (1 500 000 psi) i temperatury powyżej 2000 ° C (3630 ° F). W prasie zastosowano z pirofilitu , w którym grafit rozpuszczono w stopionym niklu , kobalcie lub żelazie. Metale te działały jak „rozpuszczalnik- katalizator” . ”, co zarówno rozpuściło węgiel, jak i przyspieszyło jego przekształcenie w diament. Największy wyprodukowany przez niego diament miał średnicę 0,15 mm (0,0059 cala); był zbyt mały i wizualnie niedoskonały na biżuterię, ale nadawał się do wykorzystania w przemysłowych materiałach ściernych. Współpracownicy Halla byli w stanie powtórzył jego pracę, a odkrycie zostało opublikowane w głównym czasopiśmie Nature . Był pierwszą osobą, która wyhodowała syntetyczny diament w powtarzalny, weryfikowalny i dobrze udokumentowany proces. Odszedł z GE w 1955 r., a trzy lata później opracował nową aparaturę do syntezy diamentu — czworościenna prasa z czterema kowadłami — aby uniknąć naruszenia amerykańskiego Departamentu Handlu nakaz zachowania poufności wniosków patentowych GE.
Dalszy rozwój
Syntetyczne kryształy diamentu o jakości klejnotów zostały po raz pierwszy wyprodukowane przez GE w 1970 r., A następnie zgłoszone w 1971 r. Pierwsze sukcesy dotyczyły zastosowania rurki pirofilitowej zaszczepionej na każdym końcu cienkimi kawałkami diamentu. Materiał zasilający grafit umieszczono w środku, a rozpuszczalnik metalu (nikiel) między grafitem a zarodkami. Pojemnik ogrzano i ciśnienie zwiększono do około 5,5 GPa (800 000 psi). Kryształy rosną, gdy przepływają od środka do końców rurki, a wydłużanie procesu powoduje powstawanie większych kryształów. Początkowo tygodniowy proces wzrostu wytworzył kamienie o jakości klejnotów o wielkości około 5 mm (0,20 cala) (1 karat lub 0,2 g), a warunki procesu musiały być jak najbardziej stabilne. Wsad grafitowy został wkrótce zastąpiony ziarnem diamentowym, ponieważ pozwoliło to na znacznie lepszą kontrolę kształtu końcowego kryształu.
Pierwsze kamienie szlachetne miały zawsze kolor od żółtego do brązowego z powodu zanieczyszczenia azotem . Powszechne były inkluzje , zwłaszcza „płytkowe” z niklu. Usunięcie całego azotu z procesu poprzez dodanie aluminium lub tytanu dało bezbarwne „białe” kamienie, a usunięcie azotu i dodanie niebieskich powstałych z boru . Usunięcie azotu również spowolniło proces wzrostu i obniżyło jakość kryształów, więc proces normalnie prowadzono z obecnością azotu.
Chociaż kamienie GE i naturalne diamenty były chemicznie identyczne, ich właściwości fizyczne nie były takie same. Bezbarwne kamienie wytwarzały silną fluorescencję i fosforescencję w świetle ultrafioletowym o krótkiej długości fali, ale były obojętne w świetle długofalowym UV. Wśród naturalnych diamentów tylko rzadsze niebieskie klejnoty wykazują te właściwości. W przeciwieństwie do naturalnych diamentów, wszystkie kamienie GE wykazywały silną żółtą fluorescencję w promieniach rentgenowskich . De Beers Diamond Research Laboratory wyhodowało kamienie o wadze do 25 karatów (5,0 g) do celów badawczych. Stabilne warunki HPHT utrzymywano przez sześć tygodni, aby wyhodować wysokiej jakości diamenty tej wielkości. Ze względów ekonomicznych wzrost większości syntetycznych diamentów kończy się, gdy osiągną one masę od 1 karata (200 mg) do 1,5 karata (300 mg).
W latach pięćdziesiątych XX wieku w Związku Radzieckim i Stanach Zjednoczonych rozpoczęto badania nad wzrostem diamentu w wyniku pirolizy gazów węglowodorowych w stosunkowo niskiej temperaturze 800 ° C (1470 ° F). Ten niskociśnieniowy proces jest znany jako chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD). William G. Eversole podobno osiągnął osadzanie z fazy gazowej diamentu na podłożu diamentowym w 1953 r., Ale nie zostało to zgłoszone do 1962 r. Osadzanie warstwy diamentowej zostało niezależnie odtworzone przez Angusa i współpracowników w 1968 r. Oraz przez Deryagina i Fedoseeva w 1970 r. Podczas gdy Eversole i Angus używali dużych , drogich, monokrystalicznych diamentów jako substratów, Deryaginowi i Fedoseevowi udało się wytworzyć warstwy diamentowe na materiałach niediamentowych ( krzem i metale), co doprowadziło w latach 80. do masowych badań nad niedrogimi powłokami diamentowymi.
Od 2013 roku pojawiły się doniesienia o wzroście liczby nieujawnionych syntetycznych diamentów do walki w zwarciu (małych okrągłych diamentów zwykle używanych do obramowania centralnego diamentu lub ozdabiania obrączki) znajdowanych w biżuterii i paczkach diamentów sprzedawanych w handlu. Ze względu na stosunkowo niski koszt walki wręcz diamentami, a także względny brak uniwersalnej wiedzy na temat skutecznej identyfikacji dużych ilości broni białej, nie wszyscy handlarze podjęli wysiłek przetestowania walki wręcz diamentami, aby poprawnie określić, czy jest pochodzenia naturalnego, czy sztucznego . Jednak międzynarodowe laboratoria zaczynają teraz stawić czoła temu problemowi, dokonując znacznych ulepszeń w identyfikacji syntetycznej broni białej.
Technologie wytwarzania
Istnieje kilka metod produkcji syntetycznych diamentów. Oryginalna metoda wykorzystuje wysokie ciśnienie i wysoką temperaturę (HPHT) i jest nadal szeroko stosowana ze względu na stosunkowo niski koszt. Proces obejmuje duże prasy, które mogą ważyć setki ton, aby wytworzyć ciśnienie 5 GPa (730 000 psi) w temperaturze 1500 ° C (2730 ° F). Druga metoda, wykorzystująca chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD), tworzy plazmę węglową na podłożu, na którym osadzają się atomy węgla, tworząc diament. Inne metody obejmują tworzenie materiałów wybuchowych (tworzenie nanodiamentów detonacyjnych ) i sonikację roztworów grafitu.
Wysokie ciśnienie, wysoka temperatura
W metodzie HPHT istnieją trzy główne konstrukcje pras stosowane do dostarczania ciśnienia i temperatury niezbędnej do wytworzenia syntetycznego diamentu: prasa taśmowa, prasa sześcienna i prasa z dzieloną kulą (BARS ) . Nasiona diamentowe są umieszczane na dole prasy. Wewnętrzna część prasy jest podgrzewana do temperatury powyżej 1400°C (2550°F) i topi rozpuszczalnik metaliczny. Stopiony metal rozpuszcza źródło węgla o wysokiej czystości, które jest następnie transportowane do małych nasion diamentu i wytrąca się , tworząc duży syntetyczny diament.
Oryginalny wynalazek GE autorstwa Tracy Hall wykorzystuje prasę taśmową, w której górne i dolne kowadła dostarczają nacisk do cylindrycznej komórki wewnętrznej. To ciśnienie wewnętrzne jest ograniczone promieniowo przez pas wstępnie naprężonych taśm stalowych. Kowadła służą również jako elektrody dostarczające prąd elektryczny do skompresowanej komórki. Odmiana prasy taśmowej wykorzystuje hydrauliczne zamiast stalowych pasów, aby ograniczyć ciśnienie wewnętrzne. Prasy taśmowe są nadal używane, ale są budowane na znacznie większą skalę niż te z pierwotnego projektu.
Drugim typem konstrukcji prasy jest prasa sześcienna. Prasa sześcienna ma sześć kowadeł, które jednocześnie wywierają nacisk na wszystkie ściany objętości w kształcie sześcianu. Pierwszym projektem prasy z wieloma kowadłami była prasa czworościenna, w której cztery kowadła łączyły się w czworościan objętość w kształcie. Prasa sześcienna została stworzona wkrótce potem, aby zwiększyć objętość, do której można zastosować nacisk. Prasa sześcienna jest zwykle mniejsza niż prasa taśmowa i może szybciej osiągnąć ciśnienie i temperaturę niezbędne do wytworzenia syntetycznego diamentu. Jednak pras sześciennych nie można łatwo skalować do większych objętości: objętość pod ciśnieniem można zwiększyć za pomocą większych kowadeł, ale zwiększa to również siłę potrzebną do osiągnięcia tego samego ciśnienia na kowadłach. Alternatywą jest zmniejszenie stosunku pola powierzchni do objętości objętości pod ciśnieniem poprzez użycie większej liczby kowadeł w celu zbieżności z bryłą platońską wyższego rzędu , takie jak dwunastościan . Jednak taka prasa byłaby złożona i trudna do wyprodukowania.
urządzenie BARS jest najbardziej kompaktowe, wydajne i ekonomiczne ze wszystkich pras do produkcji diamentów. W środku urządzenia BARS znajduje się ceramiczna cylindryczna „kapsuła syntezy” o wielkości około 2 cm 3 (0,12 cala sześciennego). Ogniwo umieszcza się w sześcianie z materiału przenoszącego ciśnienie, takiego jak ceramika pirofilitowa, który jest dociskany przez wewnętrzne kowadełka wykonane z węglika spiekanego (np. węglika wolframu lub twardego stopu VK10). Zewnętrzna ośmiościenna wnęka jest dociskana przez 8 stalowych zewnętrznych kowadeł. Po zmontowaniu całość zamykana jest w lufie typu disc o średnicy około 1 m (3 stopy 3 cale). Beczka jest wypełniona olejem, który zwiększa ciśnienie po podgrzaniu, a ciśnienie oleju jest przenoszone do komory centralnej. Kapsuła syntezy jest podgrzewana przez współosiowy grzejnik grafitowy, a temperatura jest mierzona za pomocą a termopara .
Chemiczne osadzanie z fazy gazowej
Chemiczne osadzanie z fazy gazowej to metoda, dzięki której diament można wyhodować z gazowej mieszaniny węglowodorów. Od początku lat 80-tych metoda ta była przedmiotem intensywnych badań na całym świecie. Podczas gdy masowa produkcja wysokiej jakości kryształów diamentu sprawia, że proces HPHT jest bardziej odpowiednim wyborem do zastosowań przemysłowych, elastyczność i prostota konfiguracji CVD wyjaśnia popularność wzrostu CVD w badaniach laboratoryjnych. Zalety uprawy diamentów CVD obejmują możliwość uprawy diamentów na dużych obszarach i na różnych podłożach oraz dokładną kontrolę zanieczyszczeń chemicznych, a tym samym właściwości wytwarzanego diamentu. W przeciwieństwie do HPHT, proces CVD nie wymaga wysokich ciśnień, ponieważ wzrost zwykle występuje przy ciśnieniu poniżej 27 kPa (3,9 psi).
Wzrost CVD obejmuje przygotowanie substratu, podawanie różnych ilości gazów do komory i zasilanie ich energią. Przygotowanie podłoża obejmuje wybór odpowiedniego materiału i jego orientacji krystalograficznej; czyszczenie, często proszkiem diamentowym w celu zeszlifowania podłoża innego niż diament; oraz optymalizację temperatury podłoża (około 800 ° C (1470 ° F)) podczas wzrostu poprzez serię przebiegów testowych. Gazy zawsze zawierają źródło węgla, zwykle metan i wodór w typowym stosunku 1:99. Wodór jest niezbędny, ponieważ selektywnie wytrawia węgiel nie będący diamentem. Gazy są jonizowane do chemicznie aktywnych rodników w komorze wzrostu za pomocą energii mikrofal , gorącego włókna , wyładowania łukowego , palnika spawalniczego , lasera , wiązki elektronów lub innych środków.
Podczas wzrostu materiały komory są wytrawiane przez plazmę i mogą włączać się do rosnącego diamentu. W szczególności diament CVD jest często zanieczyszczony krzemem pochodzącym z krzemionkowych okienek komory wzrostu lub z podłoża krzemowego. Dlatego okienka krzemionkowe są albo unikane, albo odsuwane od podłoża. Gatunki zawierające bor w komorze, nawet przy bardzo niskich poziomach śladowych, również sprawiają, że nie nadaje się ona do wzrostu czystego diamentu.
Detonacja materiałów wybuchowych
( 5 nm (2,0 × 10-7 cal) średnicy) można utworzyć przez zdetonowanie pewnych materiałów wybuchowych zawierających węgiel w metalowej komorze. Nazywa się je „nanodiamentami detonacyjnymi”. Podczas wybuchu ciśnienie i temperatura w komorze stają się wystarczająco wysokie, aby przekształcić węgiel z materiałów wybuchowych w diament. Zanurzona w wodzie komora szybko ochładza się po wybuchu, hamując przemianę nowo powstałego diamentu w bardziej stabilny grafit. W odmianie tej techniki w komorze detonacyjnej umieszcza się metalową rurkę wypełnioną proszkiem grafitowym. Eksplozja ogrzewa i ściska grafit w stopniu wystarczającym do jego przekształcenia w diament. Produkt jest zawsze bogaty w grafit i inne niediamentowe formy węgla i wymaga długiego gotowania na gorąco kwas azotowy (około 1 dzień w 250 ° C (482 ° F)), aby je rozpuścić. Odzyskany proszek nanodiamentowy jest używany głównie do polerowania. Jest produkowany głównie w Chinach, Rosji i na Białorusi , a na rynek zaczął trafiać w ilościach hurtowych na początku XXI wieku.
Kawitacja ultradźwiękowa
Mikronowe kryształy diamentu można syntetyzować z zawiesiny grafitu w cieczy organicznej pod ciśnieniem atmosferycznym iw temperaturze pokojowej za pomocą kawitacji ultradźwiękowej . Wydajność diamentu wynosi około 10% początkowej masy grafitu. Szacunkowy koszt diamentu wyprodukowanego tą metodą jest porównywalny z kosztem metody HPHT; krystaliczna doskonałość produktu jest znacznie gorsza w przypadku syntezy ultradźwiękowej. Ta technika wymaga stosunkowo prostego sprzętu i procedur, ale została opisana tylko przez dwie grupy badawcze i nie ma zastosowania przemysłowego. Liczne parametry procesu, takie jak przygotowanie początkowego proszku grafitowego, wybór mocy ultradźwięków, czasu syntezy i rozpuszczalnika, nie są jeszcze zoptymalizowane, pozostawiając okno na potencjalną poprawę wydajności i obniżenie kosztów syntezy ultradźwiękowej.
Nieruchomości
Tradycyjnie brak wad kryształu jest uważany za najważniejszą cechę diamentu. Czystość i wysoka doskonałość krystaliczna sprawiają, że diamenty są przezroczyste i klarowne, a twardość, dyspersja optyczna (połysk) i stabilność chemiczna (w połączeniu z marketingiem) sprawiają, że jest to popularny kamień szlachetny. Wysoka przewodność cieplna jest również ważna w zastosowaniach technicznych. Podczas gdy wysoka dyspersja optyczna jest nieodłączną właściwością wszystkich diamentów, ich inne właściwości różnią się w zależności od tego, jak diament został stworzony.
krystaliczność
Diament może być pojedynczym, ciągłym kryształem lub może składać się z wielu mniejszych kryształów ( polikryształ ). Duże, jasne i przezroczyste diamenty monokrystaliczne są zwykle używane jako kamienie szlachetne. Diament polikrystaliczny (PCD) składa się z wielu małych ziaren, które są łatwo widoczne gołym okiem dzięki silnemu pochłanianiu i rozpraszaniu światła; nie nadaje się do klejnotów i jest używany do zastosowań przemysłowych, takich jak narzędzia górnicze i skrawające. Diament polikrystaliczny jest często opisywany przez średnią wielkość (lub wielkość ziarna ) kryształów, które go tworzą. Rozmiary ziaren wahają się od nanometrów do setek mikrometrów , zwykle określanych odpowiednio jako diament „nanokrystaliczny” i „mikrokrystaliczny”.
Twardość
Twardość diamentu wynosi 10 w skali twardości mineralnej Mohsa , najtwardszego znanego materiału w tej skali. Diament jest również najtwardszym znanym materiałem ze względu na swoją odporność na wgniecenia. Twardość syntetycznego diamentu zależy od jego czystości, doskonałości krystalicznej i orientacji: twardość jest wyższa dla nieskazitelnych, czystych kryształów zorientowanych w kierunku [111] (wzdłuż najdłuższej przekątnej sześciennej sieci diamentowej). Diament nanokrystaliczny wytwarzany przez wzrost diamentu CVD może mieć twardość w zakresie od 30% do 75% twardości diamentu monokrystalicznego, a twardość można kontrolować dla określonych zastosowań. Niektóre syntetyczne diamenty monokrystaliczne i diamenty nanokrystaliczne HPHT (patrz hyperdiamond ) są twardsze niż jakikolwiek znany naturalny diament.
Zanieczyszczenia i wtrącenia
Każdy diament zawiera atomy inne niż węgiel w stężeniach wykrywalnych technikami analitycznymi. Atomy te mogą agregować w makroskopowe fazy zwane inkluzjami. Zasadniczo unika się zanieczyszczeń, ale można je wprowadzać celowo, aby kontrolować pewne właściwości diamentu. Procesy wzrostu syntetycznego diamentu, przy użyciu katalizatorów rozpuszczalnikowych, generalnie prowadzą do powstania szeregu złożonych centrów związanych z zanieczyszczeniami, obejmujących atomy metali przejściowych (takich jak nikiel, kobalt lub żelazo), które wpływają na właściwości elektroniczne materiału.
Na przykład czysty diament jest izolatorem elektrycznym , ale diament z dodatkiem boru jest przewodnikiem elektrycznym (a w niektórych przypadkach nadprzewodnikiem ), co pozwala na wykorzystanie go w zastosowaniach elektronicznych. Zanieczyszczenia azotowe utrudniają ruch dyslokacji sieci (defekty w strukturze kryształu ) i poddają sieć naprężeniom ściskającym , zwiększając w ten sposób twardość i wytrzymałość .
Przewodność cieplna
Przewodność cieplna diamentu CVD waha się od kilkudziesięciu W/mK do ponad 2000 W/mK, w zależności od defektów, struktur granicznych ziaren. Wraz ze wzrostem diamentu w CVD ziarna rosną wraz z grubością warstwy, co prowadzi do gradientu przewodności cieplnej wzdłuż kierunku grubości warstwy.
W przeciwieństwie do większości izolatorów elektrycznych, czysty diament jest doskonałym przewodnikiem ciepła ze względu na silne wiązanie kowalencyjne w krysztale. Przewodność cieplna czystego diamentu jest najwyższa ze wszystkich znanych ciał stałych. Monokryształy syntetycznego diamentu wzbogacone w 12
C
(99,9%), izotopowo czysty diament , mają najwyższą przewodność cieplną ze wszystkich materiałów, 30 W/cm·K w temperaturze pokojowej, 7,5 razy wyższą niż miedź. Przewodnictwo naturalnego diamentu zmniejsza się o 1,1% w temperaturze 13
C
naturalnie obecny, co działa jak niejednorodność w sieci.
Przewodność cieplna diamentu jest wykorzystywana przez jubilerów i gemmologów, którzy mogą zastosować elektroniczną sondę termiczną do oddzielenia diamentów od ich imitacji. Sondy te składają się z pary termistorów zasilanych bateryjnie , zamontowanych w cienkiej miedzianej końcówce. Jeden termistor działa jako urządzenie grzewcze, podczas gdy drugi mierzy temperaturę miedzianej końcówki: jeśli testowanym kamieniem jest diament, przewodzi energię cieplną końcówki wystarczająco szybko, aby spowodować mierzalny spadek temperatury. Ten test trwa około 2–3 sekund.
Aplikacje
Narzędzia do obróbki i skrawania
Większość przemysłowych zastosowań diamentów syntetycznych od dawna kojarzona jest z ich twardością; ta właściwość sprawia, że diament jest idealnym materiałem na obrabiarki i narzędzia skrawające . Jako najtwardszy znany naturalnie występujący materiał, diament może być używany do polerowania, cięcia lub ścierania dowolnego materiału, w tym innych diamentów. wiertła i piły z końcówkami diamentowymi oraz użycie proszku diamentowego jako materiału ściernego . Są to zdecydowanie największe przemysłowe zastosowania syntetycznego diamentu. Podczas gdy naturalny diament jest również używany do tych celów, syntetyczny diament HPHT jest bardziej popularny, głównie ze względu na lepszą powtarzalność jego właściwości mechanicznych. Diament nie nadaje się do obróbki stopów żelaza przy dużych prędkościach, ponieważ węgiel rozpuszcza się w żelazie w wysokich temperaturach powstających podczas obróbki z dużą prędkością, co prowadzi do znacznie zwiększonego zużycia narzędzi diamentowych w porównaniu z alternatywami.
Zwykłą postacią diamentu w narzędziach skrawających są ziarna o wielkości mikrona rozproszone w metalowej osnowie (zwykle kobalcie) spiekanej na narzędziu. Jest to zwykle określane w przemyśle jako diament polikrystaliczny (PCD). Narzędzia z końcówkami PCD można znaleźć w zastosowaniach górniczych i skrawających. W ciągu ostatnich piętnastu lat pracowano nad pokryciem metalowych narzędzi diamentem CVD i chociaż prace te są obiecujące, nie zastąpiły one w znaczący sposób tradycyjnych narzędzi PCD.
Przewodnik termiczny
Większość materiałów o wysokiej przewodności cieplnej, takich jak metale, również przewodzi prąd elektryczny. Natomiast czysty diament syntetyczny ma wysoką przewodność cieplną, ale znikomą przewodność elektryczną. Ta kombinacja jest nieoceniona w elektronice, w której diament jest używany jako rozpraszacz ciepła w diodach laserowych dużej mocy , macierzach laserowych i tranzystorach dużej mocy . Sprawne odprowadzanie ciepła przedłuża żywotność tych urządzeń elektronicznych, a wysokie koszty ich wymiany uzasadniają zastosowanie wydajnych, choć stosunkowo drogich, diamentowych radiatorów. W technologii półprzewodników rozpraszacze ciepła z syntetycznego diamentu zapobiegają przegrzaniu krzemu i innych urządzeń półprzewodnikowych.
Materiał optyczny
Diament jest twardy, obojętny chemicznie i ma wysoką przewodność cieplną oraz niski współczynnik rozszerzalności cieplnej . Te właściwości sprawiają, że diament przewyższa jakikolwiek inny istniejący materiał okienny używany do przesyłania podczerwonego i mikrofalowego. Dlatego syntetyczny diament zaczyna zastępować selenek cynku jako okno wyjściowe laserów CO 2 dużej mocy i żyrotronów . Te okienka z syntetycznego polikrystalicznego diamentu mają kształt dysków o dużej średnicy (około 10 cm w przypadku żyrotronów) i małej grubości (w celu zmniejszenia absorpcji) i można je wytworzyć wyłącznie techniką CVD. Płyty monokrystaliczne o długości do około 10 mm stają się coraz ważniejsze w kilku obszarach optyki , w tym w rozpraszaczach ciepła we wnękach laserowych, optyce dyfrakcyjnej oraz jako ośrodek wzmocnienia optycznego w laserach ramanowskich . Ostatnie postępy w technikach syntezy HPHT i CVD poprawiły czystość i doskonałość struktury krystalograficznej monokrystalicznego diamentu na tyle, aby zastąpić krzem jako siatkę dyfrakcyjną i materiał okienny w źródłach promieniowania o dużej mocy, takich jak synchrotrony . Zarówno procesy CVD, jak i HPHT są również wykorzystywane do tworzenia designerskich optycznie przezroczystych kowadeł diamentowych jako narzędzia do pomiaru właściwości elektrycznych i magnetycznych materiałów pod ultra wysokimi ciśnieniami za pomocą diamentowej celi kowadełka.
Elektronika
Syntetyczny diament ma potencjalne zastosowania jako półprzewodnik , ponieważ może być domieszkowany zanieczyszczeniami, takimi jak bor i fosfor . Ponieważ pierwiastki te zawierają o jeden elektron walencyjny więcej lub o jeden mniej niż węgiel, zamieniają syntetyczny diament w półprzewodnik typu p lub n . Wykonanie złącza ap-n poprzez sekwencyjne domieszkowanie syntetycznego diamentu borem i fosforem prowadzi do powstania diod elektroluminescencyjnych ( LED ) emitujących światło UV o długości fali 235 nm. Inną użyteczną właściwością syntetycznego diamentu dla elektroniki jest wysoka ruchliwość nośników , która sięga 4500 cm 2 /(V·s) dla elektronów w monokrystalicznym diamencie CVD. Wysoka mobilność jest korzystna dla operacji o wysokiej częstotliwości, a tranzystory polowe wykonane z diamentu wykazały już obiecujące działanie w zakresie wysokich częstotliwości powyżej 50 GHz. Szerokie pasmo wzbronione diamentu (5,5 eV) zapewnia mu doskonałe właściwości dielektryczne. W połączeniu z wysoką stabilnością mechaniczną diamentu właściwości te są wykorzystywane w prototypowych przełącznikach dużej mocy dla elektrowni.
Syntetyczne tranzystory diamentowe zostały wyprodukowane w laboratorium. Działają w znacznie wyższych temperaturach niż urządzenia silikonowe i są odporne na uszkodzenia chemiczne i promieniowanie. Chociaż żadne tranzystory diamentowe nie zostały jeszcze pomyślnie zintegrowane z komercyjną elektroniką, są one obiecujące do zastosowania w sytuacjach o wyjątkowo dużej mocy i nieprzyjaznych środowiskach nieutleniających.
Syntetyczny diament jest już używany jako urządzenie do wykrywania promieniowania . Jest odporny na promieniowanie i ma szerokie pasmo wzbronione 5,5 eV (w temperaturze pokojowej). Diament różni się również od większości innych półprzewodników brakiem stabilnego rodzimego tlenku. Utrudnia to wytwarzanie powierzchniowych urządzeń MOS, ale stwarza możliwość uzyskania dostępu promieniowania UV do aktywnego półprzewodnika bez absorpcji w warstwie powierzchniowej. Ze względu na te właściwości jest stosowany w aplikacjach takich jak BaBar w akceleratorze liniowym Stanforda i BOLD (Blind to the Optical Light Detectors do obserwacji Słońca VUV ). Diamentowy detektor VUV był ostatnio używany w europejskim programie LYRA .
Przewodzący diament CVD jest przydatną elektrodą w wielu okolicznościach. Opracowano metody fotochemiczne do kowalencyjnego wiązania DNA z powierzchnią warstw polikrystalicznego diamentu wytwarzanych przez CVD. Takie błony zmodyfikowane DNA można wykorzystać do wykrywania różnych biomolekuł , które wchodziłyby w interakcje z DNA, zmieniając w ten sposób przewodnictwo elektryczne błony diamentowej. Ponadto diamenty mogą być używane do wykrywania redoks reakcje, których normalnie nie można zbadać, aw niektórych przypadkach degradują zanieczyszczenia organiczne reagujące z redoks w wodociągach. Ponieważ diament jest stabilny mechanicznie i chemicznie, może być używany jako elektroda w warunkach niszczących tradycyjne materiały. Diament syntetyczny jako elektroda może być stosowany w oczyszczaniu ścieków organicznych i produkcji silnych utleniaczy.
Kamienie szlachetne
Diamenty syntetyczne używane jako kamienie szlachetne są uprawiane metodami HPHT lub CVD i stanowią około 2% rynku diamentów o jakości klejnotów od 2013 r. Istnieją jednak przesłanki, że udział w rynku syntetycznych diamentów o jakości biżuterii może rosnąć wraz z postępem w technologia pozwala na większą produkcję syntetyczną o wyższej jakości na bardziej ekonomiczną skalę. Dostępne są w kolorze żółtym, różowym, zielonym, pomarańczowym, niebieskim iw mniejszym stopniu bezbarwnym (lub białym). Żółty kolor pochodzi z zanieczyszczeń azotowych w procesie produkcyjnym, podczas gdy niebieski kolor pochodzi z boru. Inne kolory, takie jak różowy lub zielony, można uzyskać po syntezie za pomocą napromieniowania. Oferuje też kilka firm pamiątkowe diamenty wyhodowane przy użyciu skremowanych szczątków.
Diamenty o jakości klejnotów wyhodowane w laboratorium mogą być chemicznie, fizycznie i optycznie identyczne z diamentami występującymi naturalnie. Branża wydobywania diamentów podjęła prawne, marketingowe i dystrybucyjne środki zaradcze, aby spróbować chronić swój rynek przed pojawiającą się obecnością diamentów syntetycznych. Diamenty syntetyczne można rozróżnić za pomocą spektroskopii w zakresie fal podczerwonych , ultrafioletowych lub rentgenowskich . Tester DiamondView firmy De Beers wykorzystuje fluorescencję UV do wykrywania śladowych zanieczyszczeń azotem, niklem lub innymi metalami w diamentach HPHT lub CVD.
Co najmniej jeden producent diamentów wyhodowanych w laboratorium złożył publiczne oświadczenie, że jest „zobowiązany do ujawnienia” natury swoich diamentów i wypisał laserowo numery seryjne na wszystkich swoich kamieniach szlachetnych. Witryna internetowa firmy pokazuje przykład napisu jednego z napisów laserowych, który zawiera zarówno słowa „ Gemesis created”, jak i przedrostek numeru seryjnego „LG” (wyhodowany laboratoryjnie).
W maju 2015 roku ustanowiono rekord bezbarwnego diamentu HPHT o masie 10,02 karatów. Fasetowany klejnot został wycięty z 32,2-karatowego kamienia, który wyrósł w około 300 godzin. Do 2022 r. Produkowano diamenty o jakości klejnotów o masie 16–20 karatów.
Tradycyjne wydobycie diamentów doprowadziło do łamania praw człowieka w Afryce i innych krajach wydobywających diamenty. W nagłośnieniu problemu pomógł hollywoodzki film Blood Diamond z 2006 roku. Zapotrzebowanie konsumentów na syntetyczne diamenty rośnie, choć z niewielkiej bazy, ponieważ klienci szukają kamieni, które są etycznie rozsądne i tańsze. Każdy rodzaj wydobycia powoduje również nieodwracalne zmiany w różnorodności biologicznej.
Według raportu Rady ds. Promocji Eksportu Gem & Jewellery, diamenty syntetyczne stanowiły 0,28% diamentów wyprodukowanych do wykorzystania jako kamienie szlachetne w 2014 r. W kwietniu 2022 r. CNN Business poinformowało, że pierścionki zaręczynowe z syntetycznym lub wyhodowanym w laboratorium diamentem wzrosły o 63%. w porównaniu z rokiem poprzednim, podczas gdy liczba sprzedanych pierścionków zaręczynowych z naturalnym diamentem spadła w tym samym okresie o 25%.
Około 2016 r. cena diamentów syntetycznych (np. 1-karatowych) zaczęła spadać „gwałtownie” o około 30% w ciągu jednego roku, stając się wyraźnie niższa niż diamentów wydobywanych. Od 2017 r. Diamenty syntetyczne sprzedawane jako biżuteria były zazwyczaj sprzedawane za 15–20% mniej niż ich naturalne odpowiedniki; Oczekiwano, że względna cena będzie dalej spadać wraz z poprawą ekonomiki produkcji.
W maju 2018 roku De Beers ogłosił, że wprowadzi nową markę biżuterii o nazwie „Lightbox”, która zawiera syntetyczne diamenty.
Federalna Komisja Handlu USA zatwierdziła istotną zmianę w swoich przewodnikach po biżuterii, wprowadzając zmiany, które narzucają nowe zasady dotyczące sposobu, w jaki handel może opisywać diamenty i imitacje diamentów . Zmienione przewodniki były zasadniczo sprzeczne z tym, co zalecał De Beers w 2016 roku. Nowe wytyczne usuwają słowo „naturalny” z definicji „diamentu”, tym samym włączając diamenty wyhodowane w laboratorium w zakres definicji „diamentu”. W poprawionym przewodniku stwierdza się ponadto, że „Jeśli sprzedawca używa słowa„ syntetyczny ”, aby zasugerować, że diament wyhodowany w laboratorium konkurenta nie jest prawdziwym diamentem,… byłoby to zwodnicze”. W lipcu 2019 r. niezależne laboratorium certyfikacji diamentów GIA (Gemological Institute of America) usunęło słowo „syntetyczny” ze swojego procesu certyfikacji i raportu dotyczącego diamentów hodowanych w laboratorium, zgodnie z rewizją FTC.
Zobacz też
- The Diamond Maker (1895): opowiadanie HG Wellsa zainspirowane Hannayem i Moissanem
- Syntetyczny aleksandryt
- Lista diamentów
Notatki
Bibliografia
- Barnard, AS (2000). Formuła diamentu: synteza diamentów - perspektywa gemologiczna . Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-4244-6 .
- O'Donoghue, Michael (2006). Klejnoty: ich źródła, opisy i identyfikacja . Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-5856-0 .
- Spear, KE & Dismukes, JP (1994). Diament syntetyczny . Wiley-IEEE. ISBN 978-0-471-53589-8 .
- Lundblad, Erik (1988). Om konsten att göra diamanter . W Dedalu 1988. ISBN 9176160181
Linki zewnętrzne
- Schulz, William. „Pierwsza synteza diamentów: 50 lat później, mętny obraz tego, kto zasługuje na uznanie” . Wiadomości chemiczne i inżynieryjne . 82 (5). ISSN 0009-2347 .
| Kontrola władz : krajowa |
|---|
