Come si producono i diamanti industriali

Diamante creato con processi

controllati

Un diamante sintetico o diamante coltivato in laboratorio ( LGD ), chiamato anche diamante coltivato in laboratorio ^{, [1]} diamante creato in laboratorio , artificiale , creato artigianalmente , artificiale o coltivato , è un diamante prodotto con un processo tecnologico controllato (a differenza del diamante formatosi naturalmente, che viene creato attraverso processi geologici e ottenuto mediante estrazione). A differenza dei simulanti di diamante (imitazioni di diamanti realizzate con materiali non diamanti superficialmente simili), i diamanti sintetici sono composti dallo stesso materiale dei diamanti formati naturalmente - carbonio puro cristallizzato in una forma 3D isotropa - e condividono proprietà chimiche e fisiche identiche. A partire dal 2023 ^{[aggiornamento]} il più pesante Il diamante sintetico mai realizzato pesa 30,18 ct (6,0 g), ^[2] e il diamante naturale più pesante mai trovato pesa 3167 ct (633,4 g).

Numerose affermazioni sulla sintesi dei diamanti sono state riportate tra il 1879 e il 1928 dopo che un chimico inglese di nome Smithson Tennant ha dimostrato che i diamanti sono una forma di carbonio nel 1797; ^[3] la maggior parte di questi tentativi sono stati attentamente analizzati, ma nessuno è stato confermato. Negli anni '40 iniziò la ricerca sistematica sulla creazione dei diamanti negli Stati Uniti, in Svezia e nell'Unione Sovietica, che culminò nella prima sintesi riproducibile nel 1953. Ulteriori attività di ricerca hanno portato alla scoperta del diamante ad alta pressione e ad alta temperatura (HPHT ) e del diamante CVD , chiamati così per il loro metodo di produzione (rispettivamente deposizione chimica da vapore ad alta pressione e ad alta pressione). Questi due processi dominano ancora la produzione di diamanti sintetici. Un terzo metodo in cui I grani di diamante di dimensioni nanometriche vengono creati in una detonazione di esplosivi contenenti carbonio, nota come sintesi di detonazione, immessa sul mercato alla fine degli anni '90. Un quarto metodo, il trattamento della grafite con ultrasuoni ad alta potenza, è stato dimostrato in laboratorio, ma a partire dal 2008 non aveva alcuna applicazione commerciale.

Le proprietà dei diamanti sintetici dipendono dal processo di produzione. Alcuni hanno proprietà come la durezza, la conduttività termica e la mobilità degli elettroni che sono superiori a quelle della maggior parte dei diamanti formati in natura. Il diamante sintetico è ampiamente utilizzato negli abrasivi, negli strumenti di taglio e lucidatura e nei dissipatori di calore. Sono in fase di sviluppo applicazioni elettroniche del diamante sintetico, tra cui interruttori ad alta potenza nelle centrali elettriche, transistor ad effetto di campo ad alta frequenza e diodi emettitori di luce. I rivelatori di diamanti sintetici di luce ultravioletta (UV) o particelle ad alta energia sono utilizzati nella ricerca ad alta energia e sono disponibili in commercio. Grazie alla sua combinazione unica di stabilità termica e chimica, bassa dilatazione termica ed elevata trasparenza ottica in un'ampia gamma spettrale, il diamante sintetico sta diventando il materiale più popolare per le finestre ottiche nei laser CO 2 ad alta potenza
e nei girotroni. Si stima che il 98% della domanda di diamanti di livello industriale sia fornita da diamanti sintetici. ^[4]

Sia i diamanti CVD che HPHT possono essere tagliati in gemme e possono essere prodotti vari colori: bianco chiaro, giallo, marrone, blu, verde e arancione. L'avvento delle gemme sintetiche sul mercato ha creato grandi preoccupazioni nel settore del commercio dei diamanti, a seguito del quale sono stati sviluppati speciali dispositivi e tecniche spettroscopiche per distinguere i diamanti sintetici da quelli naturali.

Storia

Nelle prime fasi della sintesi del diamante, la figura fondante della moderna La chimica, Antoine Lavoisier, ha svolto un ruolo significativo. La sua scoperta rivoluzionaria che il reticolo cristallino di un diamante è simile alla struttura cristallina del carbonio ha aperto la strada ai primi tentativi di produrre diamanti. ^[5] Dopo che si scoprì che il diamante era carbonio puro nel 1797, ^{[6] [7]} furono fatti molti tentativi per convertire varie forme economiche di carbonio in diamante. ^{[8] [a]} I primi successi furono riportati da James Ballantyne Hannay nel 1879 ^[13] e da Ferdinand Frédéric Henri Moissan nel 1893. Il loro metodo prevedeva il riscaldamento del carbone fino a 3.500 °C (6.330 °F) con ferro all'interno di un crogiolo di carbonio in una fornace. Mentre Hannay usava un tubo riscaldato a fiamma, Moissan applicava il suo forno elettrico ad arco di nuova concezione, in cui un arco elettrico veniva innescato tra barre di carbonio all'interno di blocchi di calce. ^[14] Il ferro fuso veniva poi rapidamente raffreddato mediante immersione in acqua. La contrazione generata dal raffreddamento avrebbe prodotto l'alta pressione necessaria per trasformare la grafite in diamante. Moissan pubblicò il suo lavoro in una serie di articoli negli anni 1890. ^{[8] [15]}

Molti altri scienziati cercarono di replicare i suoi esperimenti. Sir William Crookes rivendicò il successo nel 1909. ^[16] Otto Ruff affermò nel 1917 di aver prodotto diamanti fino a 7 mm (0,28 pollici) di diametro, ^[17] ma in seguito ritrattò la sua affermazione. ^[18] Nel 1926, il dottor J. Willard Hershey del McPherson College replicò gli esperimenti di Moissan e Ruff, ^producendo un diamante sintetico. ^[21] Nonostante le affermazioni di Moissan, Ruff e Hershey, altri sperimentatori non furono in grado di riprodurre la loro sintesi. ^{[22] [23]}

I tentativi di replica più definitivi furono eseguiti da Sir Charles Algernon Parsons. Scienziato e ingegnere di spicco, noto per la sua invenzione della turbina a vapore, trascorse circa 40 anni (1882-1922) e una parte considerevole della sua fortuna cercando di riprodurre gli esperimenti di Moissan e Hannay, ma anche adattando i propri processi. ^[24] Parsons era noto per il suo approccio scrupolosamente accurato e per la metodica tenuta dei registri; Tutti i campioni risultanti sono stati conservati per ulteriori analisi da parte di una parte indipendente. ^[25] Scrisse una serie di articoli, alcuni dei primi sul diamante HPHT, in cui affermava di aver prodotto piccoli diamanti. ^[26] Tuttavia, nel 1928, autorizzò il Dr. C. H. Desch a pubblicare un articolo ^[27] in cui affermava la sua convinzione che non esistevano diamanti sintetici (compresi quelli di Moissan e altri) erano stati prodotti fino a tale data. Ha suggerito che la maggior parte dei diamanti che erano stati prodotti fino a quel momento erano probabilmente spinelli sintetici. ^[22]

ASEA

La prima sintesi di diamante conosciuta (ma inizialmente non riportata) fu ottenuta il 16 febbraio 1953 a Stoccolma da ASEA (Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget), la principale azienda svedese produttrice di apparecchiature elettriche. A partire dal 1942, l'ASEA impiegò un team di cinque scienziati e ingegneri come parte di un progetto top-secret per la produzione di diamanti dal nome in codice QUINTUS. Il team ha utilizzato un ingombrante apparato a sfera divisa progettato da Baltzar von Platen e Anders Kämpe. ^{[28] [29]} La pressione è stata mantenuta all'interno del dispositivo a una stima di 8,4 GPa (1.220.000 psi) e una temperatura di 2.400 °C (4.350 °F) per un'ora. Furono prodotti alcuni piccoli diamanti, ma non di qualità gemma o grandezza.

A causa di domande sul processo di brevetto e della ragionevole convinzione che nessun'altra ricerca seria sulla sintesi del diamante sia avvenuta a livello globale, il consiglio di amministrazione dell'ASEA ha optato contro la pubblicità e le domande di brevetto. Così l'annuncio dei risultati dell'ASEA avvenne poco dopo la conferenza stampa della GE del 15 febbraio 1955. ^[30]

Progetto

diamante GE

Nel 1941 fu stipulato un accordo tra le società General Electric (GE), Norton e Carborundum per sviluppare ulteriormente la sintesi dei diamanti. Sono stati in grado di riscaldare il carbonio a circa 3.000 °C (5.430 °F) sotto una pressione di 3,5 gigapascal (510.000 psi) per pochi secondi. Poco dopo, la seconda guerra mondiale interruppe il progetto. Fu ripresa nel 1951 presso i Laboratori Schenectady di GE, e un gruppo di diamanti ad alta pressione fu formato con Francis P. Bundy e H. M. Strong. Tracy Hall e altri si unirono al progetto Dopo. ^[28]

Il gruppo di Schenectady migliorò le incudini progettate da Percy Bridgman, che ricevette il premio Nobel per la fisica per il suo lavoro nel 1946. Bundy e Strong apportarono i primi miglioramenti, poi altri furono fatti da Hall. Il team GE ha utilizzato incudini in carburo di tungsteno all'interno di una pressa idraulica per spremere il campione carbonioso contenuto in un contenitore di catlinite, la graniglia finita viene spremuta dal contenitore in una guarnizione. Il team registrò la sintesi del diamante in un'occasione, ma l'esperimento non poté essere riprodotto a causa di condizioni di sintesi incerte, ^[31] e in seguito si dimostrò che il diamante era un diamante naturale usato come seme. ^[32]

Hall ottenne la prima sintesi di diamante di successo commerciale il 16 dicembre 1954 e questa fu annunciata il 15 febbraio 1955. La sua svolta arrivò quando utilizzò una pressa con una "cinghia" toroidale in acciaio temprato teso al suo limite elastico avvolto attorno al campione, producendo pressioni superiori a 10 GPa (1.500.000 psi) e temperature superiori a 2.000 °C (3.630 °F). ^[33] La pressa utilizzava un contenitore di pirofillite in cui la grafite veniva disciolta all'interno di nichel, cobalto o ferro fusi. Questi metalli agivano come un "solvente-catalizzatore", che scioglieva il carbonio e accelerava la sua conversione in diamante. Il diamante più grande che produsse era di 0,15 mm (0,0059 pollici) di diametro; Era troppo piccolo e visivamente imperfetto per la gioielleria, ma utilizzabile negli abrasivi industriali. I colleghi di Hall sono stati in grado di replicare il suo lavoro e la scoperta è stata pubblicata sulla rivista Nature . ^{[34] [35]} Fu la prima persona a coltivare un diamante sintetico con un processo riproducibile, verificabile e ben documentato. Lasciò la GE nel 1955 e tre anni dopo sviluppò un nuovo apparato per la sintesi del diamante – una pressa tetraedrica con quattro incudini – per evitare di violare un ordine di segretezza del Dipartimento del Commercio degli Stati Uniti sulle domande di brevetto GE. ^{[32] [36]}

Ulteriore sviluppo

I cristalli di diamante sintetici di qualità gemma sono stati prodotti per la prima volta nel 1970 da GE, poi segnalati nel 1971. I primi successi utilizzavano un tubo di pirofillite seminato ad ogni estremità con sottili pezzi di diamante. Il materiale di alimentazione in grafite è stato posizionato al centro e il solvente metallico (nichel) tra la grafite e i semi. Il contenitore è stato riscaldato e la pressione è stata aumentata a circa 5,5 GPa (800.000 psi). I cristalli crescono mentre scorrono dal centro alle estremità del tubo e l'estensione della lunghezza del processo produce cristalli più grandi. Inizialmente, un processo di crescita della durata di una settimana ha prodotto pietre di qualità gemma di circa 5 mm (0,20 pollici) (1 carato o 0,2 g) e il processo Le condizioni dovevano essere il più stabili possibile. L'alimentazione in grafite è stata presto sostituita dalla graniglia diamantata perché ciò consentiva un controllo molto migliore della forma del cristallo finale. ^{[35] [37]}

Le prime pietre di qualità gemma erano sempre di colore dal giallo al marrone a causa della contaminazione con l'azoto. Le inclusioni erano comuni, in particolare quelle "a piastre" dal nichel. La rimozione di tutto l'azoto dal processo mediante l'aggiunta di alluminio o titanio ha prodotto pietre "bianche" incolori, e la rimozione dell'azoto e l'aggiunta di boro hanno prodotto pietre blu. ^[38] La rimozione dell'azoto rallentava anche il processo di crescita e riduceva la qualità cristallina, quindi il processo veniva normalmente eseguito con azoto presente.

Sebbene le pietre GE e i diamanti naturali fossero chimicamente identici, le loro proprietà fisiche non erano le stesse. Le pietre incolori producevano una forte fluorescenza e fosforescenza sotto luce ultravioletta a lunghezza d'onda corta, ma erano inerti sotto UV a onde lunghe. Tra i diamanti naturali, solo le gemme blu più rare mostrano queste proprietà. A differenza dei diamanti naturali, tutte le pietre GE hanno mostrato una forte fluorescenza gialla ai raggi X. ^[39] Il De Beers Diamond Research Laboratory ha coltivato pietre fino a 25 carati (5,0 g) a scopo di ricerca. Le condizioni stabili di HPHT sono state mantenute per sei settimane per far crescere diamanti di alta qualità di queste dimensioni. Per ragioni economiche, la crescita della maggior parte dei diamanti sintetici termina quando raggiungono una massa da 1 carato (200 mg) a 1,5 carati (300 mg). ^[40]

Negli anni '50, in Unione Sovietica e negli Stati Uniti iniziarono le ricerche sulla crescita del diamante mediante pirolisi di idrocarburi gassosi alla temperatura relativamente bassa di 800 °C (1.470 °F). Questo processo a bassa pressione è noto come deposizione chimica da vapore (CVD). Secondo quanto riferito, William G. Eversole ha raggiunto deposizione di vapore di diamante su substrato di diamante nel 1953, ma non è stata segnalata fino al 1962. ^{[41] [42]} La deposizione di film di diamanti fu riprodotta indipendentemente da Angus e collaboratori nel 1968 ^[43] e da Deryagin e Fedoseev nel 1970. ^Mentre Eversole e Angus usavano diamanti monocristallini grandi e costosi come substrati, Deryagin e Fedoseev riuscirono a realizzare film di diamante su materiali non diamantati (silicio e metalli), il che portò a una massiccia ricerca su rivestimenti diamantati economici negli anni '80.

Dal 2013, sono emersi rapporti di un aumento dei diamanti sintetici da mischia non divulgati (piccoli diamanti rotondi tipicamente utilizzati per incorniciare un diamante centrale o abbellire una fascia) ^[47] trovati in gioielli incastonati e all'interno di pacchetti di diamanti venduti in commercio. ^[48] A causa del Costo relativamente basso del Diamond Melee, così come la relativa mancanza di conoscenza universale per identificare grandi quantità di Melee in modo efficiente, ^[49] Non tutti i rivenditori hanno fatto uno sforzo per testare il Diamond Melee per identificare correttamente se è di origine naturale o sintetica. Tuttavia, i laboratori internazionali stanno iniziando ad affrontare il problema a testa alta, con miglioramenti significativi nell'identificazione sintetica delle melee. ^[50]

Tecnologie di produzione

Esistono diversi metodi utilizzati per produrre diamanti sintetici. Il metodo originale utilizza l'alta pressione e l'alta temperatura (HPHT) ed è ancora ampiamente utilizzato a causa del suo costo relativamente basso. Il processo coinvolge grandi presse che possono pesare centinaia di tonnellate per produrre una pressione di 5 GPa (730.000 psi) a 1.500 °C (2.730 °F). Il secondo metodo, che utilizza la deposizione chimica da vapore (CVD), crea un Plasma di carbonio su un substrato su cui gli atomi di carbonio si depositano per formare il diamante. Altri metodi includono la formazione esplosiva (formazione di nanodiamanti di detonazione) e la sonicazione di soluzioni di grafite. ^{[51] [52] [53]}

Alta pressione, alta temperatura

Nel metodo HPHT, ci sono tre principali modelli di pressa utilizzati per fornire la pressione e la temperatura necessarie per produrre diamante sintetico: la pressa a nastro, la pressa cubica e la pressa a sfera divisa (BARS). I semi di diamante vengono posti sul fondo della pressa. La parte interna della pressa viene riscaldata a una temperatura superiore a 1.400 °C (2.550 °F) e fonde il metallo solvente. Il metallo fuso dissolve la fonte di carbonio ad alta purezza, che viene poi trasportata ai piccoli semi di diamante e precipita, formando un grande diamante sintetico. ^[54]

L'invenzione originale di GE Tracy Hall utilizza la pressa a nastro in cui le incudini superiore e inferiore forniscono il carico di pressione a una cella interna cilindrica. Questa pressione interna è confinata radialmente da una cinghia di nastri di acciaio precompresso. Le incudini fungono anche da elettrodi che forniscono corrente elettrica alla cella compressa. Una variante della pressa a nastro utilizza la pressione idraulica, piuttosto che cinghie d'acciaio, per limitare la pressione interna. ^[54] Le presse a nastro sono ancora utilizzate oggi, ma sono costruite su una scala molto più grande rispetto a quelle del progetto originale. ^[55]

Il secondo tipo di design della pressa è la pressa cubica. Una pressa cubica ha sei incudini che forniscono pressione simultaneamente su tutte le facce di un volume a forma di cubo. ^[56] Il primo progetto di pressa a più incudini era una pressa tetraedrica, che utilizzava quattro incudini per convergere su un volume a forma di tetraedro. ^[57] La pressa cubica è stata creata a breve successivamente per aumentare il volume al quale poteva essere applicata la pressione. Una pressa cubica è in genere più piccola di una pressa a nastro e può raggiungere più rapidamente la pressione e la temperatura necessarie per creare diamante sintetico. Tuttavia, le presse cubiche non possono essere facilmente scalate a volumi maggiori: il volume pressurizzato può essere aumentato utilizzando incudini più grandi, ma questo aumenta anche la quantità di forza necessaria sulle incudini per ottenere la stessa pressione. Un'alternativa è quella di diminuire il rapporto tra area superficiale e volume del volume pressurizzato, utilizzando più incudini per convergere su un solido platonico di ordine superiore, come un dodecaedro. Tuttavia, una tale pressa sarebbe complessa e difficile da produrre. ^[56]

L'apparato BARS è considerato il più compatto, efficiente ed economico di tutte le presse per la produzione di diamanti. Al centro di un dispositivo BARS, c'è una "sintesi" cilindrica in ceramica capsula" di circa 2 cm ³ (0,12 cu in). La cella viene inserita in un cubo di materiale che trasmette la pressione, come la ceramica pirofillite, che viene premuto da incudini interne in carburo cementato (ad esempio, carburo di tungsteno o lega dura VK10). ^[58] La cavità ottaedrica esterna è premuta da 8 incudini esterne in acciaio. Dopo il montaggio, l'intero gruppo viene bloccato in una canna a disco con un diametro di circa 1 m (3 piedi e 3 pollici). La canna viene riempita con olio, che pressurizza al riscaldamento, e la pressione dell'olio viene trasferita alla cella centrale. La capsula di sintesi viene riscaldata da un riscaldatore coassiale in grafite e la temperatura viene misurata con una termocoppia. ^[59]

Deposizione chimica da vapore

Ulteriori informazioni: Deposizione

chimica da vapore

La deposizione chimica da vapore è un metodo con cui il diamante può essere coltivato da una miscela di idrocarburi gassosi. Dall'inizio degli anni '80, questo metodo è stato oggetto di un'intensa ricerca in tutto il mondo. Mentre la produzione di massa di cristalli di diamante di alta qualità rende il processo HPHT la scelta più adatta per le applicazioni industriali, la flessibilità e la semplicità delle configurazioni CVD spiegano la popolarità della crescita CVD nella ricerca di laboratorio. I vantaggi della crescita del diamante CVD includono la capacità di far crescere il diamante su vaste aree e su vari substrati e il controllo preciso sulle impurità chimiche e quindi sulle proprietà del diamante prodotto. A differenza dell'HPHT, il processo CVD non richiede pressioni elevate, poiché la crescita avviene tipicamente a pressioni inferiori a 27 kPa (3,9 psi). ^{[51] [60]}

La crescita della CVD comporta la preparazione del substrato, l'alimentazione di quantità variabili di gas in una camera e la loro eccitazione. La preparazione del substrato include la scelta di un materiale e suo orientamento cristallografico; pulirlo, spesso con una polvere di diamante per abradere un substrato non diamantato; e l'ottimizzazione della temperatura del substrato (circa 800 °C (1.470 °F)) durante la crescita attraverso una serie di test. Inoltre, l'ottimizzazione della composizione e delle portate della miscela di gas è fondamentale per garantire una crescita uniforme e di alta qualità dei diamanti. I gas includono sempre una fonte di carbonio, tipicamente metano, e idrogeno con un rapporto tipico di 1:99. L'idrogeno è essenziale perché incide selettivamente il carbonio non diamantato. I gas vengono ionizzati in radicali chimicamente attivi nella camera di crescita utilizzando la potenza delle microonde, un filamento caldo, una scarica ad arco, una torcia di saldatura, un laser, un fascio di elettroni o altri mezzi.

Durante la crescita, i materiali della camera vengono incisi dal plasma e possono essere incorporati nel diamante in crescita. In particolare, il diamante CVD è spesso contaminato da silicio di origine dalle finestre di silice della camera di crescita o dal substrato di silicio. ^[61] Pertanto, le finestre in silice vengono evitate o allontanate dal substrato. Le specie contenenti boro nella camera, anche a livelli di tracce molto bassi, la rendono inadatta alla crescita del diamante puro. ^{[51] [60] [62]}

Detonazione di esplosivi Articolo

principale: Detonazione nanodiamante

I nanocristalli di diamante (5 nm (2,0×10 ⁻⁷ pollici) di diametro) possono essere formati facendo esplodere alcuni esplosivi contenenti carbonio in una camera metallica. Questi sono chiamati "nanodiamanti di detonazione". Durante l'esplosione, la pressione e la temperatura nella camera diventano abbastanza alte da convertire il carbonio degli esplosivi in diamante. Essendo immersa in acqua, la camera si raffredda rapidamente dopo l'esplosione, sopprimendo la conversione di diamante di nuova produzione in grafite più stabile. ^[63] In una variante di questa tecnica, un tubo metallico riempito con polvere di grafite viene posto nella camera di detonazione. L'esplosione riscalda e comprime la grafite in misura sufficiente per la sua conversione in diamante. ^[64] Il prodotto è sempre ricco di grafite e altre forme di carbonio non diamantate e richiede un'ebollizione prolungata in acido nitrico caldo (circa 1 giorno a 250 °C (482 °F)) per scioglierle. ^[52] La polvere di nanodiamante recuperata viene utilizzata principalmente nelle applicazioni di lucidatura. Viene prodotto principalmente in Cina, Russia e Bielorussia e ha iniziato a raggiungere il mercato in grandi quantità all'inizio degli anni 2000. ^[65]

Cavitazione ad ultrasuoni

I

cristalli di diamante di dimensioni micron possono essere sintetizzati da una sospensione di grafite in un liquido organico a pressione atmosferica e temperatura ambiente utilizzando la cavitazione ultrasonica. La resa in diamante è di circa il 10% del peso iniziale della grafite. Il costo stimato del diamante prodotto con questo metodo è paragonabile a quello del metodo HPHT, ma la perfezione cristallina del prodotto è significativamente peggiore per la sintesi ultrasonica. Questa tecnica richiede attrezzature e procedure relativamente semplici ed è stata segnalata da due gruppi di ricerca, ma non aveva alcun uso industriale a partire dal 2008. Numerosi parametri di processo, come la preparazione della polvere di grafite iniziale, la scelta della potenza ultrasonica, il tempo di sintesi e il solvente, non sono stati ottimizzati, lasciando una finestra per un potenziale miglioramento dell'efficienza e una riduzione del costo della sintesi ultrasonica. ^{[53] [66]}

Nel 2024, gli scienziati hanno annunciato un metodo che utilizza l'iniezione di gas metano e idrogeno su una lega metallica liquida di gallio, ferro, nichel e silicio (rapporto 77,25/11,00/11,00/0,25) a circa 1.025 °C per cristallizzare il diamante a 1 atmosfera di pressione. La cristallizzazione è un processo "senza semi", che la separa ulteriormente dai metodi convenzionali di deposizione chimica da vapore ad alta pressione e ad alta temperatura. L'iniezione di metano e idrogeno si traduce in un nucleo di diamante dopo circa 15 minuti e infine in un film di diamante continuo dopo circa 150 minuti. ^{[67] [68]}

Proprietà

Tradizionalmente, l'assenza di difetti di cristallo è considerata la qualità più importante di un diamante. La purezza e l'elevata perfezione cristallina rendono i diamanti trasparenti e chiari, mentre la sua durezza, la dispersione ottica (lucentezza) e la stabilità chimica (combinata con il marketing), lo rendono una pietra preziosa popolare. L'elevata conducibilità termica è importante anche per le applicazioni tecniche. Mentre un'elevata dispersione ottica è un Proprietà intrinseca di tutti i diamanti, le loro altre proprietà variano a seconda di come è stato creato il diamante. ^[69]

Il diamante di

cristallinità

può essere un singolo cristallo continuo o può essere costituito da molti cristalli più piccoli (policristallo). I diamanti monocristallini grandi, chiari e trasparenti sono tipicamente usati come pietre preziose. Il diamante policristallino (PCD) è costituito da numerosi piccoli grani, che sono facilmente visibili ad occhio nudo attraverso un forte assorbimento e diffusione della luce; Non è adatto per le gemme e viene utilizzato per applicazioni industriali come l'estrazione mineraria e gli utensili da taglio. Il diamante policristallino è spesso descritto dalla dimensione media (o granulometria) dei cristalli che lo compongono. Le dimensioni dei grani vanno da nanometri a centinaia di micrometri, solitamente indicate rispettivamente come diamante "nanocristallino" e "microcristallino". ^[70]

Durezza

Il la durezza del diamante è 10 sulla scala di Mohs della durezza minerale, il materiale più duro conosciuto su questa scala. Il diamante è anche il materiale naturale più duro conosciuto per la sua resistenza all'indentazione. ^[71] La durezza del diamante sintetico dipende dalla sua purezza, perfezione cristallina e orientamento: la durezza è maggiore per cristalli puri e impeccabili orientati nella direzione [111] (lungo la diagonale più lunga del reticolo cubico del diamante). ^[72] Il diamante nanocristallino prodotto attraverso la crescita del diamante CVD può avere una durezza che varia dal 30% al 75% di quella del diamante monocristallino e la durezza può essere controllata per applicazioni specifiche. Alcuni diamanti sintetici monocristallini e diamanti nanocristallini HPHT (vedi iperdiamante) sono più duri di qualsiasi diamante naturale conosciuto. ^{[71] [73] [74]}

Impurezze e inclusioni Principali

articolo: Difetti cristallografici nel diamante

Ogni diamante contiene atomi diversi dal carbonio in concentrazioni rilevabili con tecniche analitiche. Questi atomi possono aggregarsi in fasi macroscopiche chiamate inclusioni. Le impurità sono generalmente evitate, ma possono essere introdotte intenzionalmente come un modo per controllare alcune proprietà del diamante. I processi di crescita del diamante sintetico, utilizzando solventi-catalizzatori, generalmente portano alla formazione di una serie di centri complessi legati alle impurità, che coinvolgono atomi di metalli di transizione (come nichel, cobalto o ferro), che influenzano le proprietà elettroniche del materiale. ^{[75] [76]}

Ad esempio, il diamante puro è un isolante elettrico, ma il diamante con l'aggiunta di boro è un conduttore elettrico (e, in alcuni casi, un superconduttore), ^[77] che ne consente l'utilizzo in applicazioni elettroniche. Le impurità di azoto ostacolano il movimento del reticolo dislocazioni (difetti all'interno della struttura cristallina) e sottoporre il reticolo a sollecitazione di compressione, aumentando così la durezza e la tenacità. ^[78]

La conducibilità

termica del diamante CVD varia da decine di W/m ² K a più di 2000 W/m ² K, a seconda dei difetti, delle strutture dei bordi dei grani. ^[79] Come la crescita del diamante in CVD, i grani crescono con lo spessore del film, portando a una conduttività termica gradiente lungo la direzione dello spessore del film. ^[79]

A differenza della maggior parte degli isolanti elettrici, il diamante puro è un eccellente conduttore di calore grazie al forte legame covalente all'interno del cristallo. La conduttività termica del diamante puro è la più alta di qualsiasi solido conosciuto. I singoli cristalli di diamante sintetico arricchito in ¹²
C
(99,9%), diamante isotopicamente puro, hanno il più alto conducibilità termica di qualsiasi materiale, 30 W/cm·K a temperatura ambiente, 7,5 volte superiore a quella del rame. La conduttività del diamante naturale è ridotta dell'1,1% dal ¹³
C
naturalmente presente, che agisce come una disomogeneità nel reticolo. ^[80]

La conduttività termica del diamante è utilizzata da gioiellieri e gemmologi che possono impiegare una sonda termica elettronica per separare i diamanti dalle loro imitazioni. Queste sonde sono costituite da una coppia di termistori alimentati a batteria montati in una punta di rame sottile. Un termistore funziona come un dispositivo di riscaldamento mentre l'altro misura la temperatura della punta di rame: se la pietra in esame è un diamante, condurrà l'energia termica della punta abbastanza rapidamente da produrre un calo di temperatura misurabile. Questo test dura circa 2-3 secondi. ^[81]

Applicazioni

Utensili

per la lavorazione e il taglio

La maggior parte delle applicazioni industriali del diamante sintetico sono state a lungo associate alla loro durezza; questa proprietà rende il diamante il materiale ideale per macchine utensili e utensili da taglio. Essendo il materiale naturale più duro conosciuto, il diamante può essere utilizzato per lucidare, tagliare o usurare qualsiasi materiale, compresi altri diamanti. Le applicazioni industriali comuni di questa capacità includono punte da trapano e seghe con punta diamantata e l'uso di polvere di diamante come abrasivo. ^[82] Queste sono di gran lunga le più grandi applicazioni industriali del diamante sintetico. Mentre il diamante naturale viene utilizzato anche per questi scopi, il diamante sintetico HPHT è più popolare, soprattutto a causa della migliore riproducibilità delle sue proprietà meccaniche. Il diamante non è adatto per la lavorazione di leghe ferrose ad alte velocità, poiché il carbonio è solubile nel ferro alle alte temperature create dalla lavorazione ad alta velocità, portando a un notevole aumento dell'usura degli utensili diamantati rispetto alle alternative. ^[83]

La forma abituale di diamante negli utensili da taglio è costituita da grani di dimensioni micron dispersi in una matrice metallica (solitamente cobalto) sinterizzata sull'utensile. Questo è tipicamente indicato nell'industria come diamante policristallino (PCD). Gli utensili con punta in PCD possono essere trovati nelle applicazioni minerarie e di taglio. Negli ultimi quindici anni, è stato fatto un lavoro per rivestire gli utensili metallici con diamante CVD e, sebbene il lavoro sia promettente, non ha sostituito in modo significativo i tradizionali strumenti PCD. ^[84]

La

maggior parte dei materiali con un'elevata conducibilità termica sono anche elettricamente conduttivi, come i metalli. Al contrario, il diamante sintetico puro ha un'elevata conduttività termica, ma una conduttività elettrica trascurabile. Questa combinazione è preziosa per l'elettronica in cui il diamante viene utilizzato come dissipatore di calore per diodi laser ad alta potenza, array laser e transistor ad alta potenza. L'efficiente dissipazione del calore prolunga la durata di questi dispositivi elettronici e gli elevati costi di sostituzione dei dispositivi giustificano l'uso di dissipatori di calore in diamante efficienti, anche se relativamente costosi. ^[85] Nella tecnologia dei semiconduttori, i diffusori di calore in diamante sintetico impediscono il surriscaldamento del silicio e di altri dispositivi semiconduttori. ^[86]

Materiale ottico

Il diamante è duro, chimicamente inerte e ha un'elevata conducibilità termica e un basso coefficiente di dilatazione termica. Queste proprietà rendono il diamante superiore a qualsiasi altro materiale per finestre esistente utilizzato per la trasmissione di radiazioni infrarosse e microonde. Pertanto, il diamante sintetico sta iniziando a sostituire il seleniuro di zinco come finestra di uscita dei laser CO ₂ ad alta potenza ^[87] e dei girotroni. Queste finestre in diamante policristallino sintetico hanno la forma di dischi di grande diametro (circa 10 cm per girotroni) e piccoli spessori (per ridurre l'assorbimento) e può essere prodotto solo con la tecnica CVD. Le lastre monocristalline di dimensioni fino a circa 10 mm di lunghezza stanno diventando sempre più importanti in diverse aree dell'ottica, tra cui i diffusori di calore all'interno delle cavità laser, l'ottica diffrattiva e come mezzo di guadagno ottico nei laser Raman. ^[90] I recenti progressi nelle tecniche di sintesi HPHT e CVD hanno migliorato la purezza e la perfezione della struttura cristallografica del diamante monocristallino abbastanza da sostituire il silicio come reticolo di diffrazione e materiale per finestre in sorgenti di radiazioni ad alta potenza, come i sincrotroni. ^{[91] [92]} Entrambi i processi CVD e HPHT sono utilizzati anche per creare incudini di diamante otticamente trasparenti come strumento per misurare le proprietà elettriche e magnetiche dei materiali ad altissima pressioni utilizzando una cella a incudine di diamante. ^[93]

Il

diamante sintetico ha potenziali usi come semiconduttore, ^[94] perché può essere drogato con impurità come boro e fosforo. Poiché questi elementi contengono un elettrone di valenza in più o uno in meno rispetto al carbonio, trasformano il diamante sintetico in semiconduttore di tipo p o n. La realizzazione di una giunzione p-n mediante drogaggio sequenziale di diamante sintetico con boro e fosforo produce diodi emettitori di luce (LED) che producono luce UV di 235 nm. ^[95] Un'altra proprietà utile del diamante sintetico per l'elettronica è l'elevata mobilità del vettore, che raggiunge i 4500 cm ² /(V·s) per gli elettroni nel diamante CVD monocristallino. ^[96] L'elevata mobilità è favorevole per il funzionamento ad alta frequenza e i transistor ad effetto di campo realizzati in diamante hanno già dimostrato promettenti prestazioni ad alta frequenza prestazioni superiori a 50 GHz. ^{[97] [98]} L'ampia banda proibita del diamante (5,5 eV) gli conferisce eccellenti proprietà dielettriche. In combinazione con l'elevata stabilità meccanica del diamante, queste proprietà vengono utilizzate in prototipi di interruttori ad alta potenza per centrali elettriche. ^[99]

In laboratorio sono stati prodotti transistor in diamante sintetico. Rimangono funzionali a temperature molto più elevate rispetto ai dispositivi in silicio e sono resistenti ai danni chimici e alle radiazioni. Sebbene nessun transistor al diamante sia stato ancora integrato con successo nell'elettronica commerciale, è promettente per l'uso in situazioni di potenza eccezionalmente elevata e in ambienti ostili non ossidanti. ^{[100] [101]}

Il diamante sintetico è già utilizzato come dispositivo di rilevamento delle radiazioni. È resistente alle radiazioni e ha un'ampia banda proibita di 5,5 eV (a temperatura ambiente). Diamond è Si distingue anche dalla maggior parte degli altri semiconduttori per la mancanza di un ossido nativo stabile. Ciò rende difficile la fabbricazione di dispositivi MOS di superficie, ma crea il potenziale per la radiazione UV di accedere al semiconduttore attivo senza assorbimento in uno strato superficiale. A causa di queste proprietà, è impiegato in applicazioni come il rivelatore BaBar presso lo Stanford Linear Accelerator ^[102] e BOLD (Blind to the Optical Light Detectors for VUV solar observations). ^Un rivelatore VUV a diamante è stato recentemente utilizzato nel programma europeo LYRA.

Il diamante CVD conduttivo è un elettrodo utile in molte circostanze. ^[105] Sono stati sviluppati metodi fotochimici per legare in modo covalente il DNA alla superficie dei film di diamante policristallino prodotti attraverso CVD. Tali film modificati con DNA possono essere utilizzati per rilevare varie biomolecole, che interagirebbe con il DNA modificando così la conduttività elettrica del film di diamante. ^[106] Inoltre, i diamanti possono essere utilizzati per rilevare reazioni redox che normalmente non possono essere studiate e in alcuni casi degradano i contaminanti organici reattivi redox nelle riserve idriche. Poiché il diamante è meccanicamente e chimicamente stabile, può essere utilizzato come elettrodo in condizioni che distruggerebbero i materiali tradizionali. Come elettrodo, il diamante sintetico può essere utilizzato nel trattamento delle acque reflue degli effluenti organici ^[107] e nella produzione di forti ossidanti. ^[108]

Articolo

principale: Diamante (pietra preziosa)

I diamanti sintetici per l'uso come pietre preziose sono coltivati con metodi HPHT ^[40] o CVD ^[109] e rappresentavano circa il 2% del mercato dei diamanti di qualità gemma a partire dal 2013. ^[110] Tuttavia, ci sono indicazioni che la quota di mercato dei diamanti sintetici di qualità per gioielli potrebbe crescere man mano che i progressi della tecnologia consentono una produzione sintetica di qualità superiore su scala più economica. ^[111] Infatti, entro il 2023, la quota dei diamanti sintetici era aumentata al 17% del mercato complessivo dei diamanti. ^[112] Sono disponibili in giallo, rosa, verde, arancione, blu e, in misura minore, incolore (o bianco). Il giallo proviene dalle impurità di azoto nel processo di produzione, mentre il blu proviene dal boro. ^[38] Altri colori, come il rosa o il verde, sono ottenibili dopo la sintesi mediante irradiazione. ^Diverse aziende offrono anche diamanti commemorativi coltivati utilizzando resti cremati. ^[115]

I diamanti di qualità gemma coltivati in laboratorio possono essere chimicamente, fisicamente e otticamente identici a quelli naturali quelli che si verificano. L'industria dei diamanti estratti ha intrapreso contromisure legali, di marketing e di distribuzione per cercare di proteggere il proprio mercato dalla presenza emergente di diamanti sintetici. ^I diamanti sintetici possono essere distinti mediante spettroscopia nelle lunghezze d'onda dell'infrarosso, dell'ultravioletto o dei raggi X. Il tester DiamondView di De Beers utilizza la fluorescenza UV per rilevare tracce di impurità di azoto, nichel o altri metalli nei diamanti HPHT o CVD. ^[118]

Almeno un produttore di diamanti coltivati in laboratorio ha rilasciato dichiarazioni pubbliche sull'essere "impegnato a divulgare" la natura dei suoi diamanti e ha inciso al laser i numeri di serie su tutte le sue pietre preziose. ^[109] Il sito web dell'azienda mostra un esempio di lettering di una delle sue iscrizioni laser, che include sia la dicitura "Gemesis created" che il prefisso del numero di serie "LG" (laboratorio cresciuto). ^[119]

Nel maggio 2015 è stato stabilito un record per un diamante incolore HPHT a 10,02 carati. Il gioiello sfaccettato è stato tagliato da una pietra di 32,2 carati che è stata coltivata in circa 300 ore. ^[120] Entro il 2022 venivano prodotti diamanti di qualità gemma di 16-20 carati. ^[121]

L'estrazione tradizionale dei diamanti ha portato ad abusi dei diritti umani in Africa e in altri paesi minerari. Il film hollywoodiano del 2006 Blood Diamond ha contribuito a pubblicizzare il problema. La domanda di diamanti sintetici da parte dei consumatori è in aumento, anche se da una base ridotta, poiché i clienti cercano pietre eticamente valide e più economiche. ^[122]

Oltre all'aspetto etico, tre fattori ambientali chiave giocano un ruolo centrale nel confronto ecologico tra i diamanti da laboratorio e i diamanti da miniera:

1. Utilizzo dell'acqua : lo scavo di un carato di diamante grezzo richiede circa 96 litri di acqua per carato. Al contrario, la produzione di un diamante coltivato in laboratorio da un carato richiede solo da 0 a 2 litri di acqua per carato. ^Smaltimento
dei
2. rifiuti minerali e distruzione del territorio: l'estrazione dei diamanti genera fino a 2 milioni di tonnellate di rifiuti minerali per ogni tonnellata di diamanti prodotti, mentre altri metalli come il ferro o l'oro producono in genere meno di 10 tonnellate di rifiuti per tonnellata estratta. ^Inoltre, l'estrazione di un carato di diamante disturba circa 9 m² di terra e genera circa 2600 kg di rifiuti minerali, compresi gli oligometalli altamente tossici. ^{[126] [127] [128]} Al contrario, la produzione di un carato di diamante coltivato in laboratorio comporta un impatto ambientale significativamente inferiore, con solo 0,0065 m² di disgregazione del terreno e 0,5 kg di rifiuti minerali. ^{[128] [124]}
3. Consumo di energia ed emissioni di gas serra (GHG): uno dei principali punti critici per i diamanti coltivati in laboratorio è il consumo di energia. I diamanti coltivati in laboratorio prodotti con il metodo HPHT richiedono tra 28 e 215 kWh per carato, mentre il metodo CVD richiede tra 77 e 143 kWh per carato. ^[123] Per fare un confronto, i diamanti estratti consumano tra i 96 e i 150 kWh per carato, sulla base dei rapporti dei leader del settore ALROSA e DeBeers, che insieme rappresentano oltre il 50% della produzione globale di diamanti. ^Pertanto , i diamanti coltivati in laboratorio possono utilizzare meno o più energia per carato rispetto ai diamanti estratti, a seconda del metodo specifico e della configurazione del laboratorio. Tuttavia, il consumo di energia da solo non determina completamente l'impatto ambientale. Un fattore critico da considerare è la fonte di energia. Emissioni di gas serra derivanti dalla produzione di energia elettrica (misurate in grammi di CO₂ equivalente per kWh, o g CO₂e/kWh) sono essenziali per valutare l'impronta ambientale. In media, circa il 73% dell'energia utilizzata da DeBeers per l'estrazione dei diamanti proviene direttamente da combustibili fossili. ^[123] I combustibili fossili producono emissioni di CO₂ comprese tra 200 e 800 g CO₂e/kWh. ^[131] Il restante 27% del loro consumo energetico dipende dall'elettricità. Tuttavia, può essere generato da combustibili fossili o da fonti rinnovabili. L'estrazione di una tonnellata di diamanti grezzi genera circa 57000 tonnellate di emissioni di gas serra, che è il doppio della quantità prodotta dall'estrazione dell'oro e 30000 volte maggiore di quella dell'estrazione del minerale di ferro. ^Al contrario, l'energia necessaria per creare diamanti coltivati in laboratorio può provenire interamente da energia rinnovabile, producendo zero g di emissioni di CO₂e/kWh. Questo processo posiziona i diamanti coltivati in laboratorio come un'opzione eccezionalmente sostenibile, in quanto possono essere Prodotto senza impatto di gas serra quando si utilizzano fonti rinnovabili. ^[124]

Secondo un rapporto del Gem & Jewellery Export Promotional Council, i diamanti sintetici hanno rappresentato lo 0,28% dei diamanti prodotti per l'uso come pietre preziose nel 2014. ^Nell'aprile 2022, CNN Business ^ha riferito che gli anelli di fidanzamento con un diamante sintetico o coltivato in laboratorio sono aumentati del 63% rispetto all'anno precedente, mentre il numero di anelli di fidanzamento venduti con un diamante naturale è diminuito del 25% nello stesso periodo.

Intorno al 2016, il prezzo delle gemme di diamanti sintetici (ad esempio, pietre da 1 carato) ha iniziato a scendere "precipitosamente" di circa il 30% in un anno, diventando chiaramente inferiore a quello dei diamanti estratti. ^[134] A partire dal 2017, i diamanti sintetici venduti come gioielli venivano in genere venduti per il 15-20% in meno rispetto agli equivalenti naturali; ci si aspettava che il prezzo relativo diminuisse ulteriormente con il miglioramento dell'economia della produzione. ^[135]

Nel maggio 2018, De Beers ha annunciato che avrebbe introdotto un nuovo marchio di gioielli chiamato "Lightbox" che presenta diamanti sintetici. ^[136]

Nel luglio 2018, la Federal Trade Commission degli Stati Uniti ha approvato una revisione sostanziale delle sue guide ai gioielli, con modifiche che impongono nuove regole su come il commercio può descrivere i diamanti e i simulanti di diamanti. ^[137] Le guide riviste erano sostanzialmente contrarie a quanto sostenuto nel 2016 da De Beers. ^{[136] [138] [139]} Le nuove linee guida rimuovono la parola "naturale" dalla definizione di "diamante", includendo così i diamanti coltivati in laboratorio nell'ambito della definizione di "diamante". La guida rivista afferma inoltre che "Se un marketer usa 'sintetico' per implicare che il diamante coltivato in laboratorio di un concorrente non è un vero diamante, ... Sarebbe ingannevole". ^Nel luglio 2019, il laboratorio di certificazione dei diamanti di terze parti GIA (Gemological Institute of America) ha eliminato la parola "sintetico" dal suo processo di certificazione e dal rapporto per i diamanti coltivati in laboratorio, secondo la revisione della FTC. ^[141]

Vedi anche

Note

Riferimenti