Jak se pěstují diamanty – Moskevská továrna na šperky

Diamant je nejtvrdší minerál na Zemi. Rozsah jeho použití je neuvěřitelně široký, ale zásoby v podzemí jsou omezené a otevřená ložiska se vyčerpávají. To vše vede ke zvýšení cen nerostu, ale přírodní zásoby se nezvyšují. To je důvod, proč vědci a inženýři strávili staletí vývojem metod k vytvoření uměle pěstovaných drahých kamenů.

Historie umělých diamantů

Dnes se převážně používají dvě technologie pro vytváření pěstovaných diamantů: HPHT (High Pressure High Temperature) a CVD (Chemical Vapour Deposition). Prvním je vliv vysoké teploty a tlaku na uhlík a druhým je ukládání diamantu vrstva po vrstvě. První pochází z 18. století, zatímco druhý vznikl teprve v minulém století. Prozradíme vám, jak vědci a inženýři tyto metody vyvinuli a jaké jsou jejich vlastnosti.

První výzkum

Historie pěstování diamantů v laboratoři je úzce spjata s průlomy v chemické vědě. Francouzský přírodovědec Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794), zakladatel moderní chemie, učinil v roce 1772 významný objev: zjistil, že krystalická mřížka diamantu je podobná krystalové struktuře uhlíku. K tomu zahřál minerál na spalovací teplotu a analyzoval složení uvolněného plynu.

Po Lavoisierově objevu začaly experimenty s kultivací drahokamu. V roce 1879 skotský chemik James Ballantyne Hannay tvrdil, že syntetizoval diamant zahřátím dřevěného uhlí na 6330 3500 ° F (XNUMX XNUMX ° C). Moderní testy diamantů, které vydával za uměle vytvořené, však ukázaly, že jde o přírodní kameny.

Přesto Hannayovo úsilí pokročilo ve vědě: správně stanovil jeden z principů – vliv teploty. Ale samotná teplota nestačí a to lze v přírodě pozorovat. Ložiska drahokamů se často nacházejí v blízkosti sopek. Když žhavá láva dopadne na povrch, vytvoří nejen velmi horké prostředí, ale také zvýší tlak.

V roce 1892 francouzský chemik Henri Moissan současně aplikoval na uhlík vysoký tlak a vysokou teplotu. Tvrdil, že se mu podařilo přesně modelovat podmínky, za kterých se minerál v přírodě tvoří. Moissanovy experimenty nemohli zopakovat další vědci a postupem času došli k závěru, že chemik předložil nespolehlivé výsledky. Práce však postupovaly správným směrem.

Úspěšné experimenty

První skutečně úspěšnou syntézu krystalu provedla švédská společnost ASEA v roce 1953. Její specialisté na ní pracovali od roku 1942 v rámci tajného projektu. Inženýři použili objemný aparát s dělenou koulí. Teplota uvnitř byla udržována na přibližně 2400 °C a tlak byl 8,4 GPa. Experiment trval hodinu. Výsledkem bylo několik krystalů. Jejich kvalita a velikost však nebyly vhodné pro vytváření šperkových diamantů a samotné vzorky nebyly prezentovány veřejnosti.

V dalším výzkumu pokračovala americká společnost General Electric, která v roce 1955 předvedla první vypěstovaný krystal. Diamant byl vytvořen v pásovém lisu, který dokázal udržet teploty nad 2000 °C a tlaky nad 10 GPa. Lis používal nádobu, ve které byl grafit rozpuštěn v roztaveném železe, niklu nebo kobaltu. Kovy působily jako katalyzátory a urychlovaly proces přeměny grafitu na diamant. Touto metodou bylo možné vytvořit rostlý diamant o průměru 0,15 mm. Vyrobit z něj diamant však stále nebylo možné.

Modernost

General Electric poprvé syntetizoval krystal v kvalitě drahokamů v roce 1970. K dosažení tohoto výsledku vědci použili pyrofylitovou trubici, která byla na obou koncích poseta tenkými kousky diamantu. K tomu se přidalo kovové rozpouštědlo, vysoký tlak (5,5 GPa) a teplota přes 2000 °C.

Vypěstované minerály nebyly průhledné: odstín se měnil od žluté po hnědou kvůli kontaminaci dusíkem. Takové vzorky by mohly produkovat diamanty, které nebyly příliš cenné, dokonce ani podle přírodních měřítek. Kromě toho byly kameny téměř vždy impregnovány, zvláště pokud byl jako katalyzátor použit nikl.

Později bylo možné dusík téměř úplně odstranit přidáním hliníku a poté se diamanty ukázaly jako průhledné. Další experimenty ukázaly, že přidání boru dalo kamenům modrou barvu.

Moderní laboratoře mohou pěstovat diamanty o hmotnosti až 25 karátů (5 g) a dokonce i více, ale takové vzorky se používají pouze pro výzkumné účely. Z ekonomických důvodů se proces růstu zastaví, když kameny dosáhnou 1-1,5 karátu (200-300 mg).

Jiné metody

V 1950. letech 800. století začaly Spojené státy a Sovětský svaz zkoumat metodu vytvoření diamantového filmu pyrolýzou uhlovodíkových plynů při relativně nízké teplotě XNUMX °C. To nevyžaduje vysoký tlak. Ultravysokofrekvenční záření vytváří uhlíkové plazma nad substrátem, kde se ukládají atomy uhlíku, čímž vzniká diamant.

Experimenty amerických a sovětských vědců byly reprodukovány v mnoha laboratořích a vedly k vývoji levné technologie diamantového povlaku pro průmyslové a vědecké účely.

Existují i ​​další, méně obvyklé způsoby pěstování diamantů: výbušné (vznik detonačních nanodiamantů) a ultrazvukové (úprava roztoku grafitu ultrazvukem). Explozivní metoda se používá hlavně v Číně: vyrábí se z ní leštící prášek. Ultrazvuková technologie stále není plně optimalizována, a proto nebyla široce přijata.

Vypěstované diamanty ve špercích

Diamanty vypěstované v laboratoři mají oproti přírodním řadu výhod:

• Žádné inkluze. Moderní metody umožňují vytvářet dokonalé diamanty – čisté, bez inkluzí nebo třísek.
• Cena. Kameny vypěstované v laboratoři se vyrábějí v průmyslovém měřítku, jsou levnější a nejsou tak vzácné jako přírodní diamanty. Proto stojí méně.
• Velká velikost. V přírodě se velké diamanty vyskytují velmi zřídka a v důsledku defektů se mohou během řezání znatelně zmenšit. Proto je téměř každý velký diamant sběratelským kouskem. Pěstované diamanty umožňují vytvářet velké, ale ne příliš drahé diamanty.

Navzdory těmto výhodám nemohou pěstované diamanty nahradit přírodní, protože ty jsou atraktivní díky své staleté historii a jedinečnosti: najít dva stejné drahokamy je nemožné.

Jiné použití

Pěstované kameny jsou úplnou náhradou přírodních. Jsou nejžádanější ve čtyřech oblastech:

• Obráběcí stroje a jiné řezné nástroje v lékařství a průmyslu (diamantové povlakování). Jedná se o nejširší oblast použití krystalů, kde se využívá jejich tvrdost.
• Polovodičové technologie. Využívají dvě vlastnosti materiálu – vysokou tepelnou vodivost s velmi nízkou elektrickou vodivostí.
• Optika pro přenos infračerveného a mikrovlnného záření. Tato aplikace je možná díky své tvrdosti, chemické inertnosti a tepelné vodivosti.
• Ochrana křehkých materiálů a mechanismů. Pěstované minerály se používají ve fotoaparátech, mechanizmech hodinek a optických přístrojích.