Come vengono prodotti i diamanti coltivati in laboratorio: metodi HPHT e CVD

Introduzione

I diamanti coltivati in laboratorio sono un'alternativa moderna ai diamanti estratti. Hanno la stessa composizione chimica dei diamanti naturali. Vengono coltivati in condizioni controllate. Spiegheremo i due processi principali che creano i diamanti coltivati in laboratorio.

Cosa sono i diamanti coltivati in laboratorio?

Idiamanti coltivati in laboratorio sono cristalli cresciuti in laboratorio anziché nella terra. Sono costruiti a partire da carbonio puro. Possiedono il legame sp³ e la struttura cristallina cubica comune ai diamanti naturali. Sono chimicamente uguali. Nella maggior parte dei casi hanno la stessa brillantezza e la stessa durezza.

I principali vantaggi di questi diamanti sono l'approvvigionamento etico, poiché non vengono estratti. L'effetto ambientale è trascurabile e i costi sono inferiori a quelli dei diamanti estratti. Offrono un buon controllo sulla qualità del prodotto finale. Per questo motivo sono preferiti sia nella gioielleria che nelle applicazioni industriali.

Panoramica delle tecniche di crescita dei diamanti

La storia della sintesi dei diamanti risale agli anni '50. I primi esperimenti sono stati condotti per determinare se i diamanti possono essere formati al di fuori della natura. L'era attuale vanta due processi consolidati.

Il primo è il processo ad alta pressione e alta temperatura. Imita il processo naturale che avviene nelle profondità della Terra, dove i diamanti si formano in un periodo di milioni di anni. Il secondo metodo è la deposizione chimica da vapore. Costruisce il diamante atomo per atomo e offre un controllo preciso sul processo di crescita.

Entrambi i processi sono migliorati nel tempo. Entrambi hanno le loro condizioni e la loro marcia in più. Entrambi possono essere utilizzati per diverse applicazioni. Scopriamo le caratteristiche e i vantaggi di entrambi i processi.

Il metodo ad alta pressione e ad alta temperatura

Principio della crescita ad alta pressione e ad alta temperatura

Il processo si basa sul fatto che la formazione del diamante prevede condizioni molto severe. Utilizza pressioni che vanno da 5 a 6 gigapascal. La temperatura viene mantenuta tra i 1500 e i 1600°C. Queste condizioni facilitano la trasformazione della grafite in diamante. La trasformazione è supportata da queste condizioni estreme. Questo processo assomiglia a quello naturale, ma in un periodo di tempo molto breve.

Apparecchiature e configurazione

Per questo processo sono necessarie attrezzature speciali. I sistemi di pressatura variano. Sono comuni i sistemi a pressa cubica, a nastro e a sfera divisa (o pressa BARS). Queste macchine sono in grado di gestire l'alta pressione e la temperatura e forniscono un sistema controllato al processo di crescita.

Fasi del processo

Il metodo inizia con un piccolo seme di diamante. Viene aggiunta una fonte di carbonio e sottoposta a condizioni estreme. Viene introdotto un catalizzatore metallico fuso, ferro, nichel o cobalto. Il catalizzatore aiuta gli atomi di carbonio a disporsi a forma di diamante. La crescita è molto lenta. Il cristallo di diamante si forma nel tempo a partire dal seme. Il processo può richiedere ore o addirittura giorni, a seconda delle dimensioni e della qualità.

Caratteristiche tipiche

I diamanti formati con questo processo possono presentare una debole tonalità giallastra. La causa di questa tonalità giallastra è l'introduzione di azoto durante la crescita. Presentano inoltre modelli di inclusione distinti e zone di crescita visibili. Possono essere prodotti sia diamanti di qualità industriale sia diamanti di qualità gemmologica. La maggior parte degli impieghi di questi diamanti nell'industria è dovuta al fatto che le loro caratteristiche fisiche sono adatte a operazioni come il taglio, la perforazione e la rettifica.

Il processo di deposizione chimica da vapore

Principio della crescita per deposizione chimica da vapore

Il processo di deposizione chimica da vapore è unico. Parte da una miscela di gas idrocarburi come idrogeno e metano. Un plasma di carbonio viene prodotto in fase gassosa all'interno di una camera a vuoto. Gli atomi cadono su un substrato e costruiscono il diamante strato per strato. Questo processo consente agli scienziati un maggiore controllo sulla purezza e sulla struttura del diamante risultante.

Fasi del processo

In questo metodo, la prima fase prevede la preparazione di un substrato pulito. Il substrato contiene in genere un minuscolo seme di diamante. Il processo si svolge quindi in una camera a vuoto. Per la dissociazione del gas idrocarburo si utilizza un plasma a microonde o un filamento caldo. Gli atomi di carbonio vengono emessi e si depositano sul substrato. La velocità di crescita, la temperatura della camera e i rapporti tra i gas sono attentamente controllati. Questo accatastamento preciso facilita la formazione di strati di diamanti altamente uniformi, spesso contenenti meno inclusioni metalliche.

Qualità del diamante risultante

Il metodo della deposizione chimica da vapore consente di ottenere diamanti molto puri. Sono per lo più incolori e vengono chiamati diamanti di tipo IIa. Questi diamanti hanno strutture interne molto uniformi. Il metodo produce meno difetti rispetto al metodo ad alta pressione e ad alta temperatura. Essendo molto trasparenti e con proprietà controllate, sono ideali per la gioielleria di alta qualità. Anche i semiconduttori utilizzano questi diamanti di qualità in numerose applicazioni.

Conclusione

I diamanti da laboratorio sono il risultato di una tecnologia avanzata e di decenni di ricerca. Il metodo ad alta pressione e alta temperatura riproduce la natura. Utilizza pressione e calore intensi con un catalizzatore per convertire la grafite in diamante. Il metodo della deposizione chimica da vapore costruisce il diamante atomo per atomo in laboratorio. Entrambi i metodi hanno i loro pro e contro. Per ulteriori informazioni, consultare il sito Stanford Advanced Materials (SAM).

Domande frequenti

D: Qual è la principale differenza tra i diamanti naturali e quelli coltivati in laboratorio?

R: I diamanti coltivati in laboratorio sono prodotti in laboratorio, mentre i diamanti naturali si formano nel terreno.

D: Perché si dovrebbe scegliere il processo ad alta pressione e alta temperatura?

R: Perché è una simulazione molto vicina ai metodi naturali e crea diamanti dalla forma unica.

D: Come fa il processo di deposizione chimica da vapore a garantire diamanti di qualità?

R: Costruisce i diamanti atomo per atomo sotto stretto controllo per una crescita uniforme.