zdjęcie 5 - laboratorium

Metody hodowania diamentów laboratoryjnych

Diament w naturze powstawał w ekstremalnych warunkach, na dużych głębokościach (200-300 km) pod powierzchnią ziemi, w wyniku ogromnego ciśnienia dochodzącego nawet do 70-80 ton na centymetr kwadratowy, w temperaturze 1100 – 1300 stopni Celsjusza. Takie okoliczności powstawania diamentu wpłynęły zarówno na rzadkość jego występowania jak i jego wysoką cenę. W związku z tym wyłącznie laboratoryjna synteza diamentu mogła dać produkt, który można by zastosować w sposób masowy i przemysłowy.

Historia laboratoryjnej syntezy diamentów rozpoczyna się w XVIII wieku, gdy francuski fizyk i chemik Antoine Lavoisier po raz pierwszy spalił diament pod szklanym kloszem używając promieni słonecznych skupionych soczewką i udowodnił w ten sposób, że diament to czysty węgiel. Pierwsze eksperymenty związane z syntezą diamentu nabrały rozpędu po tym jak niejaki Smithson Tennat odkrył, że diament jest postacią krystaliczną węgla pierwiastkowego, a stało się to w 1766 roku. To był początek poszukiwania sposobu na wyhodowanie diamentu w laboratorium.

 

Za twórcę metody pozwalającej hodować diamenty nadające się do zastosowań technicznych uważa się Tracy Halla. Jego prace nad metodą syntezy trwały cztery lata, a projektowi groziło zamknięcie. Hall był przekonany, że właściwy kierunek poszukiwań to połączenie wysokiego ciśnienia z wysoka temperaturą (tak jak miało to miejsce w naturze) dlatego pracował nad modyfikacjami starej prasy Watson-Stillman będąc przekonanym, że ona pozwoli mu dokonać syntezy. Jego szefowie niechętnie chcieli inwestować w stary sprzęt. W końcu udało mu się ich przekonać do zakupu niezbędnych części, co pozwoliło zmodernizować starą prasę, a jej konstrukcja umożliwiła osiągnięcie ciśnienia 100 tysięcy atmosfer oraz temperatury 1600 stopni Celsjusza. Hall poddając grafit działaniu tak wysokiej temperatury i tak wysokiego ciśnienia w grudniu 1954 roku wyhodował pierwsze, niewielkie diamenty – o średnicy ok. 0,15 mm. Nie było szans na ich stosowanie w jubilerstwie, ale znakomicie nadawały się do zastosowań technicznych. Firma General Electric (GE), w której Hall był zatrudniony jako chemik, pochwaliła się odkryciem w lutym 1955 roku i opatentowała technologię syntezy metodą ciśnieniową HPHT (High Pressure High Temperature).

 

W tym miejscu trzeba zaznaczyć, że w  latach 1953–1958 badania prowadziły równolegle i zakończyły sukcesem dwa koncerny: ASEA w Szwecji i ww. General Electric w USA, tyle, że to General Electric w 1955 roku opatentował metodę i ogłosił zdolność produkcji diamentów laboratoryjnych na skalę przemysłową.

 

Warto również przypomnieć, że w 1954 roku, czyli przed ogłoszeniem przez GE syntezy metodą HPHT, patent został wydany dla innej metody nazywanej metodą CVD (Chemical Vapor Deposition) polegającej na niskociśnieniowej syntezie diamentów z fazy gazowej. Ponieważ jednak naukowcy nie potrafili w tamtych czasach osiągnąć powtarzalności procesu, metoda na wiele lat została zaniechana. Jej weryfikacja nastąpiła dopiero pod koniec 1980 roku, gdy naukowcy korzystając z wysoce zaawansowanych technologii zrozumieli jak diament rośnie przy użyciu procesu CVD. Proces CVD jest zupełnie inny od naturalnego procesu formowania diamentu oraz od ciśnieniowej metody HPHT. W procesie CVD diament hodowany jest z ogrzewanej (900-1200  stopni Celcjusza) mieszaniny gazu węglowodorowego (zazwyczaj metanu i wodoru), w komorze próżniowej, przy bardzo niskich ciśnieniach. W normalnych okolicznościach, podgrzewanie tej mieszaniny przy takich niskich ciśnieniach spowodowałoby powstanie grafitu lub jakiejś innej formy węgla niż diament. Jednak w komorze wzrostu CVD, część wodoru przekształca się w wodór atomowy, który sprzyja powstawaniu diamentu. Technologia CVD umożliwia nakładanie diamentu na duże powierzchnie. Diament taki posiada znaczną jednorodność struktury krystalograficznej i czystość chemiczną. Właśnie dzięki tej metodzie produkcja diamentów laboratoryjnych mogła osiągnąć masową skalę, a ceny diamentów laboratoryjnych mogły stać się konkurencyjne w stosunku do cen naturalnych diamentów przemysłowych.

 

Poza wyżej opisanymi metodami HPHT, czy też CVD do syntezy diamentów współcześnie używane są również inne, bardziej wyrafinowane technologie. Jedną z nich jest synteza wybuchowa przemysłowych nanodiamentów. Metoda została zainicjowana przypadkowo w 1961 roku w USA, gdy w próbce grafitu poddanej detonacyjnej kompresji wykryto po raz pierwszy diament. Po tym wydarzeniu w wyniku serii prób uczona V.V. Danilenko w 1963 roku opracowała detonacyjną metodę syntezy nanodiamentu polegającą na umieszczeniu grafitu wewnątrz cylindra z miksturą hexogenu-trotylu TG40.  Metoda polega na detonacji mieszaniny trotylu i heksogenu w małej przestrzeni zamkniętej, w wyniku czego na grafit oddziałuje wysokie ciśnienie i wysoka temperatura pochodzące z wybuchu. W ten sposób powstała metoda syntezy DND  (ang. Detonation Nanodiamond) lub  zamiennie UDD (ang. Ultradispersed Diamond).

 

Ponieważ syntezę proszków diamentowych mogą  zapewnić również procesy plazmowe, szereg metod od  wielu  lat opartych jest na technologiach plazmowych, nie tylko ze  względu  na uzyskiwanie w plazmie bardzo  wysokich  temperatur ale szczególnie  ze względu na występowania w  plazmie cząstek  elementarnych.

 

Jedną z najbardziej znanych metod syntezy plazmowej jest metoda PACVD wykorzystująca  statyczną  komorę reaktora  plazmo – chemicznego, w której synteza następuje w procesach modyfikacji powierzchni materiałów  przy  chemicznym  osadzaniu diamentu  z  fazy gazowej  aktywowanej plazmą.

Na  szczególną  uwagę wśród tej grupy metod zasługuje również metoda MW-PACVD wykorzystująca promieniowanie mikrofalowe, w której plazma generowana jest za pomocą generatora o częstotliwości pracy 2,45 GHz.

 

Inną bardzo ciekawą, a jednocześnie nową metodą plazmowej syntezy diamentów jest metoda opartą na SPS (ang. spark plasma sintering), którą opracowali współpracujący ze sobą chińscy oraz brytyjscy naukowcy z Harbin Institute of Technology oraz Chinese Academy of Science (Chiny) i University of Nottingham (Wielka Brytania). Kluczowym elementem tej metody, obok wykorzystania jako źródła węgla katalitycznie otrzymywanych wielościennych nanorurek węglowych, jest zastosowanie układu umożliwiającego spiekanie materiałów za pomocą plazmy wytwarzanej dzięki wyładowaniom elektrycznych. Plazmowe spiekanie iskrą elektryczną o natężeniu prądu 1000 A dostarcza do reaktora, wewnątrz którego umieszczony jest krążek zawierający nanorurki węglowe, dostateczną ilość energii by je ogrzać do temperatury 1500 stopni Celsjusza pod ciśnieniem zaledwie 80 MPa, przekształcając w ten sposób puste w środku rurki węglowe w mikroskopijne diamenty. Według naukowców dzięki nowej metodzie opartej na SPS, trwająca 30 minut synteza diamentów o wielkości 100 mikrometrów, wymaga znacznie mniej energii niż stosując konwencjonalne metody, gdyż niezbędna temperatura, by zaszedł proces, jest niższa nawet o 1200 stopni Celsjusza.


Moglibyśmy opisywać kolejne metody ale chyba na tych podstawowych należy zakończyć. Jedno jest pewne, do póki diamenty będą tak istotne dla człowieka jak są obecnie, poszukiwanie nowych, bardziej wydajanych metod syntezy diamentów jest oczywiste, a kończące się zasoby diamentów naturalnych jedynie tą tendencję wzmacniają.

Na koniec warto jeszcze raz podkreślić, że diamenty hodowane laboratoryjnie uzupełniają rynek diamentów naturalnych, a fakt ich pojawienia się w wyrobach jubilerskich staje się oczywistością współczesnych czasów.

© Prawo do posługiwania się marką Jewel Lines® posiada AURINKO GROUP Sp. z o.o. o kapitale zakładowym 22.005.000 zł, z siedzibą w Warszawie, wpisana do KRS pod nr 0000388422, NIP 8961520420, REGON 021550840

Scroll Up