Jak to funguje: Syntetické diamanty | Časopis Fyzika č. 3 pro rok 2010

Umělé diamanty. Pro neodborníka je téměř nemožné rozeznat umělý diamant od přírodního. V 50. letech. V minulém století byla vyvinuta technologie pro pěstování umělých diamantů ukládáním atomů uhlíku na drobná semena přírodních nebo umělých diamantů pod vysokým tlakem a teplotou. Ale krystaly bez defektů byly získány pouze pečlivým řízením teplotního gradientu podél zárodku, na který by se ukládaly pouze atomy uhlíku jeden po druhém. Pronikání atomů kovu mělo za následek výskyt inkluzí, které byly snadno detekovatelné pod klenotnickou lupou. Vypěstování 1-karátového (0,2 g) diamantu v kvalitě drahokamů trvalo týden. Diamanty pro průmyslové účely se pěstovaly rychleji, protože nebyla vyžadována taková čistota a inkluze neovlivňovaly tvrdost. Polykrystalické diamantové povlaky na nástroje se nanášejí pomocí chemického napařování. Původní pásový lis, ve kterém je základní materiál stlačován mezi dvěma písty, se stále používá. Ruští fyzici vynalezli kulový lis, který umožňuje lepší sledování parametrů srážek a získání vysoce kvalitních krystalů. Technologie však nebyla zveřejněna. Firma Gemesis pozvala ruské chemiky a doufá, že bude dostávat klenotnické diamanty po tisících ročně. Rozvoj tohoto odvětví vedl k rozvoji kontrolních metod. Byl například vyvinut spektrofotometr, který umožňuje pomocí absorpčního spektra detekovat přítomnost shluků atomů dusíku, které jsou charakteristické pro přírodní kameny a chybí u umělých. Byla také vyvinuta zařízení, která využívají fenomén fotoluminiscence v diamantu, když je vystaven laseru. Čtenář by si měl dobře rozmyslet, než na Valentýna obdaruje svou milovanou prstenem a řekne: “Miláčku, tento diamant symbolizuje moji lásku. Koupil jsem ho v obchodě Handyman, který je hned za elektrickým nářadím.”

• V hydraulickém lisu Písty stlačují malou kapsli s diamantovými semínky na tlak 55 000 atm (≈ 5,6 GPa) a elektrický proud ji zahřeje na 1400 °C.

• diamantový prach v kapsli se postupně rozpouští v horké tavenině železa a niklu. Jak přes něj atomy uhlíku difundují, usazují se jeden po druhém na chladnějších semenech pod nimi, stejně jako se vodní pára ve formě kapiček usazuje na studených stěnách sklenice. Jako semena se používají nejmenší kousky přírodních nebo organických kamenů. Vypěstování 1karátového diamantu trvá asi týden. Pokud snížíte tlak, získáte místo diamantu grafit.

• Přírodní diamanty (vlevo) mají mřížku oktaedrickou, umělou (vpravo) – krychlovou. Rozdíl je jasně viditelný podle fluorescence pod UV osvětlením.

• Spektrofotometr umožňuje získat celé absorpční spektrum diamantu a porovnat tak kameny stejné barvy a čirosti. Přírodní kameny mají vždy linie absorpce dusíku, ale umělé kameny ne.

Víš, že.

• Úplně prvními umělými šperkovými kameny byly zirkonáty (v Rusku známé jako fianity. – Vyd.). Za diamanty se však nepovažují, protože neobsahují uhlík. Získají se mnohem snadněji než diamanty: prášek oxidu zirkoničitého se taví za normálního tlaku a teplotě 2400 °C spolu s oxidy hořčíku a vápníku a poté se ochladí.
• Všechny přírodní diamanty obsahují nečistoty, které mohou dodávat barvu: dusík dává nažloutlou barvu, bor dodává namodralou barvu. Přibližně 1 % kamenů má vlivem vnitřního pnutí hnědý odstín. Pokud jsou takové kameny uchovávány pod tlakem 6 GPa při teplotě 2500 °C po dobu několika minut, zcela bezbarvé a mohou být prodávány jako vysoce kvalitní diamanty. Co bylo koupeno za pár set dolarů, to se prodává za 10 000! To je možná nejlevnější způsob, jak získat diamanty.

Vědecký Američan, 2003, Únor, s. 82–83.

Zkr. pruh z angličtiny N.D. Kozlová

Diamanty se vyznačují svou jedinečnou strukturní hustotou, která umožňuje kameni odolávat velkému zatížení a vysokým teplotám. Tato vlastnost se využívá při vesmírných experimentech a vývoji, při výrobě lékařských přístrojů a přesných hodinek a v jaderném průmyslu. Po vybroušení se krásný minerál promění v diamant, který je klenotníky velmi ceněný. Moderní technologie umožňují jeho vytvoření v umělých podmínkách, snížení ceny bez ztráty kvality.

Vlastnosti

Umělé diamanty jsou vyráběny pro aktivní použití v průmyslovém měřítku od roku 1993. Jejich kvalita byla tak vysoká, že klenotníci vyžadovali speciální testy k určení pravosti kamenů. Pro běžného spotřebitele nebyl rozdíl vůbec zřejmý, a tak mnoho společností začalo používat krystaly k výrobě luxusních šperků.

V moderních laboratořích se pěstuje několik druhů tohoto syntetického kamene: cerusity, fabulity, kamínky, feroelektrika, moissanity. Za nejkrásnější a nejčistší je považována kostka oxidu zirkoničitého, které se říká „kubická zirkonie“. Používá se v mnoha průmyslových oblastech a doplňuje kolekce módních domů Thomas Sabo a Pandora.

Hlavní rysy uměle pěstovaných diamantů:

• nízké náklady ve srovnání s přírodními kameny (cena je 10-15krát nižší);
• snadné řezání;
• nepřítomnost skrytých vad, které ovlivňují tvrdost (vzduchové bubliny, praskliny);
• kompletní imitace skutečného diamantu po vybroušení.

Mezi milovníky krásných kamenů se názory různí i na vlastnosti umělého kamene. Někteří z nich věří, že pouze skutečný diamant může odrazit zlé duchy, chránit svého majitele před poškozením a zlým okem a pomoci mu v obchodních záležitostech.

Majitelé umělých diamantů tvrdí, že jejich šperky jsou neméně účinné při vyzařování pozitivní energie a přinášející štěstí.

V posledních letech byly synteticky vytvořené kameny vyvinuty známými značkami Diamond Foundry, Helzberg s Diamond Shops a LifeGem. Tento podnik v USA je považován za nejziskovější a nejslibnější, protože poškození životního prostředí je minimální. Mnohé geologické experimenty navíc dokazují, že období tvorby diamantů v přírodě skončilo. Rozvoj nových ložisek se proto brzy stane minulostí.

Historie příjmu

Skutečné diamanty jsou populární po staletí. Drahé diamanty zdobily královské oděvy a koruny, dědily se z generace na generaci a byly součástí zlatých rezerv státních pokladnic mnoha zemí. Řezané nerosty jsou i dnes tou nejlepší investicí, která se každým rokem jen zvyšuje.

První vývoj a pokusy o vytvoření syntetického kamene proto začaly již na konci 19. století.

První umělý diamant získali v roce 1950 švédští vědci v laboratoři společnosti ASEA. Po jejich výzkumu americká společnost General Electric zopakovala svůj experiment v roce 1956 a zlepšila technologii. V průběhu několika desetiletí se objevily nové metody a vývoj, které umožnily změnit odstín, tvar a velikost syntetického minerálu. V roce 1967 byl získán patent na pěstování drahých kamenů.

Historie jejich výroby v Sovětském svazu začíná prvním kamenem, který byl syntetizován v Ústavu fyziky a vysokých tlaků koncem 50. let minulého století. Aktivní práci v tomto směru však provádí vědec O. I. Leipunsky, který již v roce 1946 publikoval mnoho vědeckých prací a výpočtů.

Jeho práce v chemii byly použity jako základ pro nové metody a prakticky se staly základem pro moderní průmyslovou výrobu umělých diamantů.

Skutečný průlom nastal na počátku 60. let minulého století, kdy mladí vědci z Moskevské vysokotlaké laboratoře vytvořili speciální lis. S jeho pomocí bylo možné zavést velkovýrobu superpevných kamenů: objem dosahoval tisíc karátů za den. Všechny vyrobené průmyslové diamanty byly použity pro raketové a strojní inženýrství a byly exportovány, což přineslo zisky v miliardách dolarů.

V posledních letech byly v Rusku vyvinuty nové technologie soukromými klenotnickými domy a vědeckými laboratořemi.

Přitahují zahraniční odborníky z Jižní Afriky, USA a Evropy, snaží se metodiku zlevnit.

Jak se vyrábí syntetické diamanty?

Umělé diamanty vypěstované v laboratořích předních chemických společností je obtížné odlišit od skutečných kamenů z hlediska průhlednosti a jasu lesku. Všechny známé způsoby však vyžadují velké kapitálové investice a jsou náročné na práci.

Hlavním úkolem vědců je proto najít ideální rovnováhu mezi kvalitou a náklady na výrobu.

Metodika NRT

HPHT neboli High Pressure, High Temperature je nejběžnější technologií. Vědci používají skutečné kameny o velikosti 0,5 mm jako základ pro syntetické kubické zirkonie. Ve speciální komoře, která funguje na stejném principu jako autokláv, vzniká kombinace teploty minimálně 1400°C a tlaku 55000 XNUMX atmosfér. Na přírodní bázi se nanášejí různé chemické sloučeniny a grafitové vrstvy.

Po 10 dnech takové expozice vznikají silné sigma vazby, spoje kolem báze se zformují do tvrdého a průhledného kamene.

Tato technologie maximálně obnovuje přirozené podmínky pro vzhled minerálu, proto je kvalita vždy nejlepší a vady jsou prakticky vyloučeny.

CVD produkce nebo syntéza filmů

Tato technologie je jednou z prvních v pěstování umělých minerálů. Je široce používán, když je potřeba vytvořit obzvláště silný a ostrý diamantový povlak, pro vytvoření vysoce kvalitních diamantů. Všechny komponenty a diamantový substrát jsou umístěny ve speciálních komorách, které vytvářejí vakuum. Po naplnění metanem začne působit mikrovlnné záření dobře známé z provozu mikrovlnné trouby. Při vysokých teplotách se chemické sloučeniny uhlíku začnou tavit a spojovat se s bází.

Technologie CVD produkuje vysoce kvalitní diamanty, které svými vlastnostmi nejsou horší než ty pravé. Na jejich základě se vyvíjí technologie, která v oftalmologii nahradí počítačové desky odolné proti opotřebení, dielektrika a ultratenké skalpely.

Vědci doufají, že v blízké budoucnosti se cena 1 karátu syntetických kamenů získaných pomocí této technologie sníží na 5-8 dolarů.

Technika výbušné syntézy

Jedním z nejnovějších vývojů je metoda explozivní syntézy. Je založena na kombinaci náhlého zahřátí chemické směsi pomocí výbuchu a následného zmrazení vzniklého minerálu. Výsledkem je syntetický diamant s přírodními vlastnostmi, vyrobený z krystalického uhlíku. Ale vysoká cena nutí chemiky hledat nové možnosti syntézy kamenné hmoty.

Rozsah aplikace

Mezi všemi diamanty tvoří syntetické kameny pouze 10 % trhu. K výrobě dámských šperků se používají levné krystaly kubické zirkonie. Slavné módní domy jimi zdobí večerní šaty, kabelky a boty a používají je v exkluzivní výzdobě.

Progresivní mládež je stále častěji volí pro jejich bezpečnost a šetrnost k životnímu prostředí.

Více než 90 % umělých diamantů se používá v průmyslu. Hlavní směry:

• vysoce přesné brusky, nástroje pro řezání tvrdých materiálů;
• výroba mikroelektroniky a počítačů;
• obranný průmysl;
• robotika;
• unikátní lasery pro oční operace;
• strojírenství;
• nové stroje v metalurgii;
• raketová věda.

Mezi nejnovější úspěchy patří použití syntetického diamantu k výrobě umělé čočky. Transplantační operace ukázaly, že díky jasnosti a snadnému řezání je implantát pro pacienta ideální.

Vyznačuje se správným úhlem lomu a trvanlivostí.

Srovnání s přírodními kameny

Průmysl vyrábí syntetické diamanty, které jsou natolik podobné přírodním krystalům, že je k jejich identifikaci zapotřebí řada laboratorních testů. Podívejme se na nejčastější rozdíly.

• Všechny synteticky pěstované diamanty mají speciální označení. Sděluje název společnosti nebo laboratoře, která produkt vyrobila.

• Pro kontrolu je lepší použít výkonný mikroskop než lupu. V dílnách jsou defekty identifikovány pomocí spektrografu a vystaveny ultrafialovým paprskům.

• Skutečné diamanty nereagují na elektromagnetická pole. Tato vlastnost může být použita jako testovací metoda: syntetický kámen je přitahován silným magnetem.

• Pokud potřebujete identifikovat diamant doma, položte ho na silný bílý papír. Při bližším prozkoumání se stanou viditelné růstové zóny, které vznikají, když se pod vysokým tlakem vytvoří uhlíková vrstva.

• Přírodní kameny jsou vytvořeny z nejmenších monokrystalů, proto mají jednotnou strukturu. Při podrobném zkoumání pod mikroskopem se zdá, že nepřirozené produkty jsou složeny z mnoha mikroskopických krystalů.

Diamantové burzy po celém světě používají k analýze speciální zařízení Diamond Check a M-Screen.

Za pouhých 10-15 sekund umožňují rozlišit syntetiku od přírodních kamenů s přesností 95-98% a poskytují maximum informací o kvalitě a struktuře krystalu.

Pěstování umělých diamantů je perspektivní odvětví. Aktivní vývoj robotiky a nanotechnologií vyžaduje stále více kamenů pro výrobu laserů a superpevných povlaků. Po zpracování je 1-karátový syntetický diamant oceněn na 800-900 $ ve srovnání s přírodním krystalem, který stojí 4000 XNUMX $. To umožňuje snížit náklady na mnoho procesů a operací v oftalmologii a mikrochirurgii a otevírá nové možnosti pro vědu.

Výroba syntetických diamantů je popsána v následujícím videu.