El diamante sintético (también conocido como diamante cultivado en laboratorio [1] , diamante creado en laboratorio o diamante cultivado ) es un diamante hecho del mismo material que los diamantes naturales: carbono puro , cristalizado en una forma 3D isotrópica . [2] Los diamantes sintéticos no son químicamente diferentes del diamante natural , que se crea mediante procesos geológicos . No deben confundirse con el simulante de diamante , que está hecho de material que no es de diamante.
Los registros de intentos de síntesis de diamantes se remontan a principios del siglo XX. Numerosos científicos afirmaron haber sintetizado diamantes entre 1879 y 1928, pero ninguno fue confirmado. En la década de 1940, se inició una investigación sistemática en los Estados Unidos, Suecia y la Unión Soviética para cultivar diamantes, que culminó con la primera síntesis reproducible de diamantes en 1954.
Esta investigación temprana de la síntesis de diamantes en los EE. UU., Suecia y la Unión Soviética dio como resultado el descubrimiento de los procesos de diamante CVD ( deposición química de vapor ) y diamante HPHT (alta presión y alta temperatura). Estos dos procesos aún dominan la producción de diamantes sintéticos, pero desde entonces los investigadores han descubierto un tercer y cuarto método de síntesis de diamantes. Un tercer método, conocido como síntesis por detonación , entró en el mercado de los diamantes a finales de la década de 1990. En este proceso, la detonación de explosivos que contienen carbono crea granos de diamante de tamaño nanométrico. Los científicos también han demostrado un cuarto método de síntesis de diamantes, el tratamiento del grafito con ultrasonidos de alta potencia , pero este proceso no tiene actualmente aplicación comercial.
Las propiedades del diamante sintético dependen del proceso de fabricación. Sin embargo, algunos diamantes sintéticos (ya sean formados por HPHT o CVD) tienen propiedades como dureza , conductividad térmica y movilidad de electrones que son superiores a las de la mayoría de los diamantes formados naturalmente. El diamante sintético se usa ampliamente en abrasivos , en herramientas de corte y pulido y en disipadores de calor . Se están desarrollando aplicaciones electrónicas del diamante sintético, incluidos interruptores de alta potencia en centrales eléctricas , transistores de efecto de campo de alta frecuencia y diodos emisores de luz . Los detectores de diamantes sintéticos de luz ultravioleta (UV) o partículas de alta energía se utilizan en instalaciones de investigación de alta energía y están disponibles comercialmente. Debido a su combinación única de estabilidad térmica y química, baja expansión térmica y alta transparencia óptica en un amplio rango espectral, el diamante sintético se está convirtiendo en el material más popular para ventanas ópticas en gyrotrones y láseres de CO 2 de alta potencia . Se estima que el 98% de la demanda de diamantes de calidad industrial se suministra con diamantes sintéticos. [3]
En el Estados Unidos , la Comisión Federal de Comercio ha indicado que los términos cultivadas en laboratorio , creado en el laboratorio , y [fabricante de renombre] -creado "se comunicaría con mayor claridad la naturaleza de la piedra". [2] Tanto los diamantes CVD como los HPHT se pueden cortar en gemas y se pueden producir varios colores: blanco transparente, amarillo, marrón, azul, verde y naranja. El advenimiento de las gemas sintéticas en el mercado creó grandes preocupaciones en el negocio del comercio de diamantes, como resultado de lo cual se han desarrollado dispositivos y técnicas espectroscópicas especiales para distinguir los diamantes sintéticos de los naturales.
Historia
Después del descubrimiento de 1797 de que el diamante era carbono puro, [4] [5] se hicieron muchos intentos para convertir varias formas baratas de carbono en diamante. [6] [7] Los primeros éxitos fueron reportados por James Ballantyne Hannay en 1879 [8] y por Ferdinand Frédéric Henri Moissan en 1893. Su método consistía en calentar carbón hasta 3500 ° C con hierro dentro de un crisol de carbón en un horno. Mientras que Hannay usó un tubo calentado por llama, Moissan aplicó su horno de arco eléctrico recientemente desarrollado , en el que se golpeaba un arco eléctrico entre varillas de carbono dentro de bloques de cal . [9] Luego, el hierro fundido se enfrió rápidamente mediante inmersión en agua. La contracción generada por el enfriamiento supuestamente produjo la alta presión necesaria para transformar el grafito en diamante. Moissan publicó su trabajo en una serie de artículos en la década de 1890. [6] [10]
Muchos otros científicos intentaron replicar sus experimentos. Sir William Crookes reclamó el éxito en 1909. [11] Otto Ruff afirmó en 1917 haber producido diamantes de hasta 7 mm de diámetro, [12] pero luego se retractó de su declaración. [13] En 1926, el Dr. J Willard Hershey del McPherson College replicó los experimentos de Moissan y Ruff, [14] [15] produciendo un diamante sintético; ese espécimen está en exhibición en el Museo McPherson en Kansas. [16] A pesar de las afirmaciones de Moissan, Ruff y Hershey, otros experimentadores no pudieron reproducir su síntesis. [17] [18]
Sir Charles Algernon Parsons realizó los intentos de reproducción más definitivos . Un científico e ingeniero prominente conocido por su invención de la turbina de vapor , pasó unos 40 años (1882-1922) y una parte considerable de su fortuna tratando de reproducir los experimentos de Moissan y Hannay, pero también adaptó sus propios procesos. [19] Parsons era conocido por su enfoque minuciosamente preciso y su metódico mantenimiento de registros; todas sus muestras resultantes se conservaron para su posterior análisis por parte de una entidad independiente. [20] Escribió varios artículos, algunos de los primeros sobre diamantes HPHT, en los que afirmó haber producido diamantes pequeños. [21] Sin embargo, en 1928, autorizó al Dr. CH Desch a publicar un artículo [22] en el que declaraba su creencia de que hasta esa fecha no se habían producido diamantes sintéticos (incluidos los de Moissan y otros). Sugirió que la mayoría de los diamantes que se habían producido hasta ese momento probablemente eran espinelas sintéticas . [17]
Proyecto de diamantes GE
En 1941, se llegó a un acuerdo entre las empresas General Electric (GE), Norton y Carborundum para desarrollar aún más la síntesis de diamantes. Pudieron calentar carbón a unos 3.000 ° C (5.430 ° F) bajo una presión de 3,5 gigapascales (510.000 psi) durante unos segundos. Poco después, la Segunda Guerra Mundial interrumpió el proyecto. Se reanudó en 1951 en los Laboratorios Schenectady de GE, y se formó un grupo de diamantes de alta presión con Francis P. Bundy y HM Strong. Tracy Hall y otros se unieron al proyecto más tarde. [23]
El grupo Schenectady mejoró los yunques diseñados por Percy Bridgman , quien recibió un premio Nobel por su trabajo en 1946. Bundy y Strong hicieron las primeras mejoras, luego Hall hizo más. El equipo de GE utilizó yunques de carburo de tungsteno dentro de una prensa hidráulica para exprimir la muestra carbonosa contenida en un recipiente de catlinita , y la arena terminada se exprimió del recipiente en una junta. El equipo registró la síntesis de diamantes en una ocasión, pero el experimento no pudo reproducirse debido a condiciones de síntesis inciertas, [24] y más tarde se demostró que el diamante era un diamante natural utilizado como semilla. [25]
Hall logró la primera síntesis de diamante comercialmente exitosa el 16 de diciembre de 1954, y esto se anunció el 15 de febrero de 1955. Su avance fue el uso de una prensa de "correa", que era capaz de producir presiones superiores a 10 GPa (1,500,000 psi) y temperaturas por encima de 2.000 ° C (3.630 ° F). [26] La prensa utilizó un recipiente de pirofilita en el que se disolvió grafito en níquel , cobalto o hierro fundidos . Esos metales actuaron como un " catalizador solvente ", que disolvió el carbono y aceleró su conversión en diamante. El diamante más grande que produjo fue de 0,15 mm (0,0059 pulgadas) de ancho; era demasiado pequeño y visualmente imperfecto para joyería, pero se podía utilizar en abrasivos industriales. Los compañeros de trabajo de Hall pudieron replicar su trabajo y el descubrimiento se publicó en la revista principal Nature . [27] [28] Fue la primera persona en cultivar un diamante sintético con un proceso reproducible, verificable y bien documentado. Dejó GE en 1955, y tres años más tarde desarrolló un nuevo aparato para la síntesis de diamantes, una prensa tetraédrica con cuatro yunques, para evitar violar una orden de secreto del Departamento de Comercio de Estados Unidos sobre las solicitudes de patente de GE. [25] [29]
Desarrollos posteriores
Una síntesis de diamantes independiente se logró el 16 de febrero de 1953 en Estocolmo por ASEA (Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget), una de las principales compañías eléctricas de fabricación de Suecia. A partir de 1949, ASEA empleó a un equipo de cinco científicos e ingenieros como parte de un proyecto de alto secreto para la fabricación de diamantes llamado QUINTUS. El equipo utilizó un voluminoso aparato de esfera dividida diseñado por Baltzar von Platen y Anders Kämpe. [23] [30] La presión se mantuvo dentro del dispositivo a un estimado de 8,4 GPa durante una hora. Se produjeron algunos diamantes pequeños, pero no de calidad o tamaño de gema. El trabajo no se informó hasta la década de 1980. [31] Durante la década de 1980, surgió un nuevo competidor en Corea , una empresa llamada Iljin Diamond; fue seguido por cientos de empresas chinas. Iljin Diamond supuestamente logró la síntesis de diamantes en 1988 al apropiarse indebidamente de secretos comerciales de GE a través de un ex empleado coreano de GE. [32] [33]
Los cristales de diamantes sintéticos con calidad de gema fueron producidos por primera vez en 1970 por GE, luego se informó en 1971. Los primeros éxitos utilizaron un tubo de pirofilita sembrado en cada extremo con finas piezas de diamante. El material de alimentación de grafito se colocó en el centro y el disolvente metálico (níquel) entre el grafito y las semillas. El recipiente se calentó y la presión se elevó a aproximadamente 5,5 GPa. Los cristales crecen a medida que fluyen desde el centro hasta los extremos del tubo, y al extender la longitud del proceso se obtienen cristales más grandes. Inicialmente, un proceso de crecimiento de una semana produjo piedras con calidad de gema de alrededor de 5 mm (1 quilate o 0,2 g), y las condiciones del proceso tenían que ser lo más estables posible. La alimentación de grafito pronto fue reemplazada por arena de diamante porque eso permitió un control mucho mejor de la forma del cristal final. [28] [34]
Las primeras piedras con calidad de gema siempre fueron de color amarillo a marrón debido a la contaminación con nitrógeno. Las inclusiones eran comunes, especialmente las "en forma de placa" del níquel. La eliminación de todo el nitrógeno del proceso mediante la adición de aluminio o titanio produjo piedras "blancas" incoloras, y la eliminación del nitrógeno y la adición de boro produjeron piedras azules. [35] La eliminación de nitrógeno también ralentizó el proceso de crecimiento y redujo la calidad cristalina, por lo que el proceso se ejecutó normalmente con nitrógeno presente.
Aunque las piedras transgénicas y los diamantes naturales eran químicamente idénticos, sus propiedades físicas no eran las mismas. Las piedras incoloras producían una fuerte fluorescencia y fosforescencia bajo luz ultravioleta de onda corta, pero eran inertes bajo luz ultravioleta de onda larga. Entre los diamantes naturales, solo las gemas azules más raras exhiben estas propiedades. A diferencia de los diamantes naturales, todas las piedras transgénicas mostraron una fuerte fluorescencia amarilla bajo los rayos X. [36] El Laboratorio de Investigación de Diamantes De Beers ha cultivado piedras de hasta 25 quilates (5,0 g) para fines de investigación. Se mantuvieron condiciones estables de HPHT durante seis semanas para cultivar diamantes de alta calidad de este tamaño. Por razones económicas, el crecimiento de la mayoría de los diamantes sintéticos se detiene cuando alcanzan una masa de 1 quilate (200 mg) a 1,5 quilates (300 mg). [37]
En la década de 1950, se iniciaron investigaciones en la Unión Soviética y los EE. UU. Sobre el crecimiento de diamantes por pirólisis de gases de hidrocarburos a la temperatura relativamente baja de 800 ° C. Este proceso de baja presión se conoce como deposición química de vapor (CVD). William G. Eversole supuestamente logró la deposición de vapor de diamante sobre sustrato de diamante en 1953, pero no se informó hasta 1962. [38] [39] La deposición de película de diamante fue reproducida de forma independiente por Angus y colaboradores en 1968 [40] y por Deryagin y Fedoseev en 1970. [41] [42] Mientras que Eversole y Angus utilizaron diamantes grandes y caros de cristal único como sustratos, Deryagin y Fedoseev lograron hacer películas de diamantes sobre materiales distintos del diamante ( silicio y metales), lo que llevó a una investigación masiva sobre recubrimientos de diamantes económicos en la década de 1980. [43]
A partir de 2013 surgieron informes de un aumento en los diamantes sintéticos cuerpo a cuerpo no revelados (pequeños diamantes redondos que normalmente se utilizan para enmarcar un diamante central o adornar una banda) [44] que se encuentran en joyas engastadas y en paquetes de diamantes vendidos en el comercio. [45] Debido al costo relativamente bajo del cuerpo a cuerpo de diamantes, así como a la relativa falta de conocimiento universal para identificar grandes cantidades de cuerpo a cuerpo [46] de manera eficiente, no todos los comerciantes han hecho un esfuerzo para probar el cuerpo a cuerpo de diamantes para identificar correctamente si es de origen natural o artificial. Sin embargo, los laboratorios internacionales ahora están comenzando a abordar el problema de frente, con mejoras significativas en la identificación sintética cuerpo a cuerpo. [47]
Tecnologías de fabricación
Hay varios métodos que se utilizan para producir diamantes sintéticos. El método original utiliza alta presión y alta temperatura (HPHT) y todavía se usa ampliamente debido a su costo relativamente bajo. El proceso involucra grandes prensas que pueden pesar cientos de toneladas para producir una presión de 5 GPa a 1500 ° C. El segundo método, que utiliza la deposición química en fase de vapor (CVD), crea un plasma de carbono sobre un sustrato sobre el que se depositan los átomos de carbono para formar el diamante. Otros métodos incluyen la formación de explosivos (formación de nanodiamantes de detonación ) y la sonicación de soluciones de grafito. [48] [49] [50]
Alta presión, alta temperatura
En el método HPHT, hay tres diseños principales de prensa que se utilizan para suministrar la presión y la temperatura necesarias para producir diamante sintético: la prensa de banda, la prensa cúbica y la prensa de esfera dividida ( BARS ). Las semillas de diamante se colocan en la parte inferior de la prensa. La parte interna de la prensa se calienta por encima de 1400 ° C y funde el metal disolvente. El metal fundido disuelve la fuente de carbono de alta pureza , que luego se transporta a las pequeñas semillas de diamante y se precipita , formando un gran diamante sintético. [51]
La invención original de GE por Tracy Hall utiliza la prensa de banda en la que los yunques superior e inferior suministran la carga de presión a una celda interior cilíndrica. Esta presión interna está confinada radialmente por un cinturón de bandas de acero pretensado. Los yunques también sirven como electrodos que proporcionan corriente eléctrica a la celda comprimida. Una variación de la prensa de banda utiliza presión hidráulica, en lugar de bandas de acero, para limitar la presión interna. [51] Las prensas de cinta todavía se utilizan hoy en día, pero se construyen a una escala mucho mayor que las del diseño original. [52]
El segundo tipo de diseño de prensa es la prensa cúbica. Una prensa cúbica tiene seis yunques que proporcionan presión simultáneamente en todas las caras de un volumen en forma de cubo. [53] El primer diseño de prensa de múltiples yunques fue una prensa tetraédrica, usando cuatro yunques para converger en un volumen en forma de tetraedro. [54] La prensa cúbica se creó poco después para aumentar el volumen al que se podía aplicar presión. Una prensa cúbica suele ser más pequeña que una prensa de banda y puede alcanzar más rápidamente la presión y la temperatura necesarias para crear un diamante sintético. Sin embargo, las prensas cúbicas no se pueden escalar fácilmente a volúmenes más grandes: el volumen presurizado se puede aumentar utilizando yunques más grandes, pero esto también aumenta la cantidad de fuerza necesaria sobre los yunques para lograr la misma presión. Una alternativa es disminuir la relación de área superficial a volumen del volumen presurizado, usando más yunques para converger sobre un sólido platónico de orden superior , como un dodecaedro. Sin embargo, tal prensa sería compleja y difícil de fabricar. [53]
Se afirma que el aparato BARS es el más compacto, eficiente y económico de todas las prensas de producción de diamantes. En el centro de un dispositivo BARS, hay una "cápsula de síntesis" cilíndrica de cerámica de aproximadamente 2 cm 3 de tamaño. La celda se coloca en un cubo de material transmisor de presión, como cerámica de pirofilita , que se prensa mediante yunques internos hechos de carburo cementado (por ejemplo, carburo de tungsteno o aleación dura VK10). [55] La cavidad octaédrica exterior está presionada por 8 yunques exteriores de acero. Después del montaje, todo el conjunto se bloquea en un cilindro tipo disco con un diámetro de aproximadamente 1 metro. El barril se llena con aceite, que se presuriza al calentarse, y la presión del aceite se transfiere a la celda central. La cápsula de síntesis se calienta mediante un calentador de grafito coaxial y la temperatura se mide con un termopar . [56]
Deposición de vapor químico
La deposición química en fase de vapor es un método mediante el cual el diamante se puede cultivar a partir de una mezcla de gas hidrocarburo. Desde principios de la década de 1980, este método ha sido objeto de intensas investigaciones en todo el mundo. Mientras que la producción en masa de cristales de diamante de alta calidad hace que el proceso HPHT sea la opción más adecuada para aplicaciones industriales, la flexibilidad y simplicidad de las configuraciones de CVD explican la popularidad del crecimiento de CVD en la investigación de laboratorio. Las ventajas del crecimiento del diamante CVD incluyen la capacidad de hacer crecer el diamante en grandes áreas y en varios sustratos, y el control fino de las impurezas químicas y, por lo tanto, de las propiedades del diamante producido. A diferencia de HPHT, el proceso de CVD no requiere altas presiones, ya que el crecimiento generalmente ocurre a presiones por debajo de 27 kPa. [48] [57]
El crecimiento de CVD implica la preparación del sustrato, alimentando cantidades variables de gases en una cámara y energizándolas. La preparación del sustrato incluye elegir un material apropiado y su orientación cristalográfica; limpiándolo, a menudo con un polvo de diamante para desgastar un sustrato que no sea de diamante; y optimizar la temperatura del sustrato (aproximadamente 800 ° C ) durante el crecimiento a través de una serie de pruebas. Los gases siempre incluyen una fuente de carbono, típicamente metano , e hidrógeno con una proporción típica de 1:99. El hidrógeno es esencial porque ataca selectivamente el carbono que no es diamante. Los gases se ionizan en radicales químicamente activos en la cámara de crecimiento utilizando energía de microondas , un filamento caliente , una descarga de arco , un soplete de soldadura , un láser , un haz de electrones u otros medios.
Durante el crecimiento, los materiales de la cámara son grabados por el plasma y pueden incorporarse al diamante en crecimiento. En particular, el diamante CVD a menudo está contaminado por silicio procedente de las ventanas de sílice de la cámara de crecimiento o del sustrato de silicio. [58] Por lo tanto, las ventanas de sílice se evitan o se alejan del sustrato. Las especies que contienen boro en la cámara, incluso a niveles muy bajos de trazas, también la hacen inadecuada para el crecimiento de diamantes puros. [48] [57] [59]
Detonación de explosivos
Los nanocristales de diamante (de 5 nm de diámetro) se pueden formar detonando ciertos explosivos que contienen carbono en una cámara de metal. Estos nanocristales se denominan " nanodiamantes de detonación ". Durante la explosión, la presión y la temperatura en la cámara se vuelven lo suficientemente altas como para convertir el carbono de los explosivos en diamante. Al sumergirse en agua, la cámara se enfría rápidamente después de la explosión, suprimiendo la conversión del diamante recién producido en grafito más estable. [60] En una variación de esta técnica, se coloca un tubo de metal lleno de polvo de grafito en la cámara de detonación. La explosión calienta y comprime el grafito hasta un grado suficiente para convertirlo en diamante. [61] El producto siempre es rico en grafito y otras formas de carbono que no son de diamante y requiere una ebullición prolongada en ácido nítrico caliente (aproximadamente 1 día a 250 ° C) para disolverlos. [49] El polvo de nanodiamante recuperado se utiliza principalmente en aplicaciones de pulido. Se produce principalmente en China, Rusia y Bielorrusia y comenzó a llegar al mercado en grandes cantidades a principios de la década de 2000. [62]
Cavitación por ultrasonidos
Micron cristales de diamante -sized pueden sintetizarse a partir de una suspensión de grafito en el líquido orgánico a presión atmosférica y temperatura ambiente utilizando ultrasonidos cavitación . El rendimiento del diamante es aproximadamente el 10% del peso inicial del grafito. El costo estimado del diamante producido por este método es comparable al del método HPHT; la perfección cristalina del producto es significativamente peor para la síntesis ultrasónica. Esta técnica requiere equipos y procedimientos relativamente simples, pero solo ha sido reportada por dos grupos de investigación y no tiene uso industrial. Numerosos parámetros del proceso, como la preparación del polvo de grafito inicial, la elección de la potencia ultrasónica, el tiempo de síntesis y el solvente, aún no están optimizados, dejando una ventana para la mejora potencial de la eficiencia y la reducción del costo de la síntesis ultrasónica. [50] [63]
Propiedades
Tradicionalmente, la ausencia de defectos en el cristal se considera la cualidad más importante de un diamante. La pureza y la alta perfección cristalina hacen que los diamantes sean transparentes y claros, mientras que su dureza, dispersión óptica (brillo) y estabilidad química (combinada con el marketing) la convierten en una piedra preciosa popular. La alta conductividad térmica también es importante para aplicaciones técnicas. Mientras que la alta dispersión óptica es una propiedad intrínseca de todos los diamantes, sus otras propiedades varían dependiendo de cómo se creó el diamante. [64]
Cristalinidad
El diamante puede ser un solo cristal continuo o puede estar formado por muchos cristales más pequeños ( policristal ). Los diamantes grandes, claros y transparentes de un solo cristal se utilizan normalmente como piedras preciosas. El diamante policristalino (PCD) consta de numerosos granos pequeños, que se ven fácilmente a simple vista a través de una fuerte absorción y dispersión de la luz; no es adecuado para gemas y se utiliza para aplicaciones industriales como herramientas de corte y minería. El diamante policristalino se describe a menudo por el tamaño medio (o tamaño de grano ) de los cristales que lo componen. Los tamaños de los granos varían desde nanómetros hasta cientos de micrómetros , generalmente denominados diamante "nanocristalino" y "microcristalino", respectivamente. [sesenta y cinco]
Dureza
El diamante sintético es el material más duro conocido, [66] donde la dureza se define como la resistencia a la indentación. La dureza del diamante sintético depende de su pureza, perfección cristalina y orientación: la dureza es mayor para los cristales puros e impecables orientados en la dirección [111] (a lo largo de la diagonal más larga de la red cúbica del diamante). [67] El diamante nanocristalino producido a través del crecimiento del diamante CVD puede tener una dureza que oscila entre el 30% y el 75% de la del diamante monocristalino, y la dureza se puede controlar para aplicaciones específicas. Algunos diamantes sintéticos monocristalinos y diamantes nanocristalinos HPHT (ver hiperdiamante ) son más duros que cualquier diamante natural conocido. [66] [68] [69]
Impurezas e inclusiones
Cada diamante contiene átomos distintos del carbono en concentraciones detectables mediante técnicas analíticas. Esos átomos pueden agregarse en fases macroscópicas llamadas inclusiones. Las impurezas generalmente se evitan, pero pueden introducirse intencionalmente como una forma de controlar ciertas propiedades del diamante. Los procesos de crecimiento del diamante sintético, que utilizan catalizadores solventes, generalmente conducen a la formación de varios centros complejos relacionados con las impurezas, que involucran átomos de metales de transición (como níquel, cobalto o hierro), que afectan las propiedades electrónicas del material. [70] [71]
Por ejemplo, el diamante puro es un aislante eléctrico, pero el diamante con boro agregado es un conductor eléctrico (y, en algunos casos, un superconductor ), [72] lo que permite su uso en aplicaciones electrónicas. Las impurezas de nitrógeno obstaculizan el movimiento de las dislocaciones de la red (defectos dentro de la estructura cristalina ) y someten la red a una tensión de compresión , lo que aumenta la dureza y la tenacidad . [73]
Conductividad térmica
La conductividad térmica del diamante CVD varía desde decenas de W / mK hasta más de 2000 W / mK, dependiendo de los defectos, estructuras de límite de grano. [74] A medida que crece el diamante en la CVD, los granos crecen con el espesor de la película, lo que conduce a un gradiente de conductividad térmica a lo largo de la dirección del espesor de la película. [74]
A diferencia de la mayoría de los aislantes eléctricos, el diamante puro es un excelente conductor de calor debido a la fuerte unión covalente dentro del cristal. La conductividad térmica del diamante puro es la más alta de cualquier sólido conocido. Cristales de diamante sintético enriquecidos con12
C
(99,9%), los diamantes isotópicamente puros , tienen la conductividad térmica más alta de cualquier material, 30 W / cm · K a temperatura ambiente, 7,5 veces mayor que la del cobre . La conductividad del diamante natural se reduce en un 1,1% por el13Cpresente de forma natural, que actúa como una falta de homogeneidad en la celosía. [75]
La conductividad térmica del diamante es utilizada por joyeros y gemólogos que pueden emplear una sonda térmica electrónica para separar los diamantes de sus imitaciones. Estas sondas constan de un par de termistores alimentados por batería montados en una fina punta de cobre. Un termistor funciona como un dispositivo de calentamiento mientras que el otro mide la temperatura de la punta de cobre: si la piedra que se está probando es un diamante, conducirá la energía térmica de la punta lo suficientemente rápido como para producir una caída de temperatura medible. Esta prueba dura entre 2 y 3 segundos. [76]
Aplicaciones
Herramientas de mecanizado y corte
La mayoría de las aplicaciones industriales del diamante sintético se han asociado durante mucho tiempo con su dureza; esta propiedad hace que el diamante sea el material ideal para máquinas herramienta y herramientas de corte . Como el material natural más duro conocido, el diamante se puede utilizar para pulir, cortar o desgastar cualquier material, incluidos otros diamantes. Las aplicaciones industriales comunes de esta capacidad incluyen brocas y sierras con punta de diamante , y el uso de polvo de diamante como abrasivo . [77] Estas son, con mucho, las aplicaciones industriales más importantes del diamante sintético. Si bien el diamante natural también se utiliza para estos fines, el diamante sintético HPHT es más popular, principalmente debido a la mejor reproducibilidad de sus propiedades mecánicas. El diamante no es adecuado para el mecanizado de aleaciones ferrosas a altas velocidades, ya que el carbono es soluble en hierro a las altas temperaturas creadas por el mecanizado de alta velocidad, lo que aumenta considerablemente el desgaste de las herramientas de diamante en comparación con las alternativas. [78]
La forma habitual de diamante en las herramientas de corte son granos del tamaño de una micra dispersos en una matriz de metal (generalmente cobalto) sinterizado sobre la herramienta. Esto se conoce típicamente en la industria como diamante policristalino (PCD). Las herramientas con punta de PCD se pueden encontrar en aplicaciones de minería y corte. Durante los últimos quince años, se ha trabajado para recubrir herramientas metálicas con diamante CVD y, aunque el trabajo parece prometedor, no ha reemplazado significativamente las herramientas PCD tradicionales. [79]
Conductor térmico
La mayoría de los materiales con alta conductividad térmica también son conductores de electricidad, como los metales. Por el contrario, el diamante sintético puro tiene una alta conductividad térmica, pero una conductividad eléctrica insignificante. Esta combinación es invaluable para la electrónica donde el diamante se usa como disipador de calor para diodos láser de alta potencia , matrices láser y transistores de alta potencia . La disipación de calor eficiente prolonga la vida útil de esos dispositivos electrónicos, y los altos costos de reemplazo de los dispositivos justifican el uso de disipadores de calor de diamante eficientes, aunque relativamente costosos. [80] En la tecnología de semiconductores, los disipadores de calor de diamante sintético evitan que el silicio y otros dispositivos semiconductores se sobrecalienten. [81]
Material óptico
El diamante es duro, químicamente inerte y tiene una alta conductividad térmica y un bajo coeficiente de expansión térmica . Estas propiedades hacen que el diamante sea superior a cualquier otro material de ventana existente utilizado para transmitir radiación infrarroja y de microondas. Por lo tanto, el diamante sintético está comenzando a reemplazar al seleniuro de zinc como la ventana de salida de los láseres de CO 2 de alta potencia [82] y los gyrotrones . Esas ventanas de diamante policristalino sintético tienen forma de discos de grandes diámetros (unos 10 cm para gyrotrones) y pequeños espesores (para reducir la absorción) y solo pueden producirse con la técnica CVD. [83] [84] Las placas de cristal único de dimensiones de hasta aproximadamente 10 mm se están volviendo cada vez más importantes en varias áreas de la óptica, incluidos los difusores de calor dentro de las cavidades láser, la óptica difractiva y como medio de ganancia óptica en los láseres Raman . [85] Los avances recientes en las técnicas de síntesis HPHT y CVD han mejorado la pureza y la perfección de la estructura cristalográfica del diamante monocristalino lo suficiente como para reemplazar el silicio como material de rejilla de difracción y ventana en fuentes de radiación de alta potencia, como los sincrotrones . [86] [87] Los procesos CVD y HPHT también se utilizan para crear yunques de diamante ópticamente transparentes de diseño como una herramienta para medir las propiedades eléctricas y magnéticas de materiales a presiones ultra altas utilizando una celda de yunque de diamante . [88]
Electrónica
El diamante sintético tiene usos potenciales como semiconductor , [89] porque puede doparse con impurezas como el boro y el fósforo . Dado que estos elementos contienen un electrón de valencia más o menos que el carbono, convierten el diamante sintético en un semiconductor tipo p o tipo n . Al hacer una unión p – n mediante el dopado secuencial de un diamante sintético con boro y fósforo, se producen diodos emisores de luz ( LED ) que producen luz ultravioleta de 235 nm. [90] Otra propiedad útil del diamante sintético para la electrónica es la alta movilidad del portador , que alcanza los 4500 cm 2 / (V · s) para los electrones en el diamante CVD monocristalino. [91] La alta movilidad es favorable para el funcionamiento de alta frecuencia y los transistores de efecto de campo hechos de diamante ya han demostrado un rendimiento prometedor de alta frecuencia por encima de 50 GHz. [92] [93] La amplia banda prohibida del diamante (5,5 eV) le confiere excelentes propiedades dieléctricas. En combinación con la alta estabilidad mecánica del diamante, esas propiedades se utilizan en prototipos de interruptores de alta potencia para centrales eléctricas. [94]
Los transistores de diamante sintético se han producido en el laboratorio. Siguen siendo funcionales a temperaturas mucho más altas que los dispositivos de silicio y son resistentes al daño químico y por radiación. Si bien todavía no se han integrado con éxito transistores de diamante en la electrónica comercial, son prometedores para su uso en situaciones de potencia excepcionalmente alta y entornos hostiles no oxidantes. [95] [96]
El diamante sintético ya se utiliza como dispositivo de detección de radiación . Es resistente a la radiación y tiene una banda prohibida amplia de 5,5 eV (a temperatura ambiente). El diamante también se distingue de la mayoría de los otros semiconductores por la falta de un óxido nativo estable. Esto dificulta la fabricación de dispositivos MOS de superficie, pero crea la posibilidad de que la radiación UV acceda al semiconductor activo sin absorción en una capa superficial. Debido a estas propiedades, se emplea en aplicaciones como el detector BaBar en el Acelerador Lineal de Stanford [97] y BOLD (Detectores de luz óptica ciega para observaciones solares VUV ). [98] [99] Recientemente se utilizó un detector VUV de diamante en el programa europeo LYRA .
El diamante CVD conductivo es un electrodo útil en muchas circunstancias. [100] Se han desarrollado métodos fotoquímicos para unir covalentemente el ADN a la superficie de películas de diamante policristalino producidas mediante CVD. Dichas películas modificadas con ADN se pueden usar para detectar diversas biomoléculas , que interactuarían con el ADN, cambiando así la conductividad eléctrica de la película de diamante. [101] Además, los diamantes se pueden utilizar para detectar reacciones redox que normalmente no se pueden estudiar y, en algunos casos, degradan contaminantes orgánicos reactivos redox en los suministros de agua. Debido a que el diamante es mecánica y químicamente estable, se puede utilizar como electrodo en condiciones que destruirían los materiales tradicionales. Como electrodo, el diamante sintético se puede utilizar en el tratamiento de aguas residuales de efluentes orgánicos [102] y en la producción de oxidantes fuertes. [103]
Piedras preciosas
Los diamantes sintéticos para su uso como piedras preciosas se cultivan mediante métodos HPHT [37] o CVD [104] y representaban aproximadamente el 2% del mercado de diamantes de calidad gema en 2013. [105] Sin embargo, hay indicios de que la cuota de mercado de los diamantes sintéticos Los diamantes con calidad de joyería pueden crecer a medida que los avances en la tecnología permitan una producción sintética de mayor calidad y mayor calidad a una escala más económica. [106] Están disponibles en amarillo, rosa, verde, naranja y azul y, en menor medida, incoloro (o blanco). El color amarillo proviene de las impurezas de nitrógeno en el proceso de fabricación, mientras que el color azul proviene del boro. [35] Otros colores, como el rosa o el verde, se pueden obtener después de la síntesis mediante irradiación. [107] [108] Varias empresas también ofrecen diamantes conmemorativos cultivados con restos incinerados. [109]
Los diamantes de calidad gema cultivados en un laboratorio pueden ser química, física y ópticamente idénticos a los naturales. La industria de los diamantes extraídos ha adoptado contramedidas legales, de comercialización y distribución para proteger su mercado de la presencia emergente de diamantes sintéticos. [110] [111] Los diamantes sintéticos se pueden distinguir por espectroscopia en las longitudes de onda infrarroja , ultravioleta o de rayos X. El comprobador DiamondView de De Beers utiliza fluorescencia UV para detectar trazas de impurezas de nitrógeno, níquel u otros metales en diamantes HPHT o CVD. [112]
Al menos un fabricante de diamantes cultivados en laboratorio ha hecho declaraciones públicas sobre su "compromiso con la divulgación" de la naturaleza de sus diamantes y los números de serie inscritos con láser en todas sus piedras preciosas. [104] El sitio web de la empresa muestra un ejemplo de las letras de una de sus inscripciones láser, que incluye tanto las palabras " Gemesis created" como el prefijo del número de serie "LG" (cultivado en laboratorio). [113]
En mayo de 2015, se estableció un récord para un diamante incoloro HPHT de 10,02 quilates. La joya facetada se cortó de una piedra de 32,2 quilates que se cultivó en 300 horas. [114]
La extracción tradicional de diamantes ha dado lugar a abusos contra los derechos humanos en África y en otros lugares. La película de Hollywood de 2006 Blood Diamond ayudó a dar a conocer el problema. La demanda de los consumidores de diamantes sintéticos ha ido en aumento, aunque desde una base pequeña, ya que los clientes buscan piedras que sean éticamente sólidas y más baratas. [115]
Según un informe del Consejo de Promoción de Exportación de Joyas y Gemas, los diamantes sintéticos representaron el 0,28 por ciento de los diamantes producidos para su uso como piedras preciosas en 2014. [116]
Alrededor de 2016, el precio de las piedras preciosas de diamantes sintéticos (por ejemplo, piedras de 1 quilate) comenzó a caer "precipitadamente", aproximadamente un 30% en un año, y se volvió claramente más bajo que el de los diamantes extraídos. [117] A partir de 2017, los diamantes sintéticos vendidos como joyería se vendían normalmente por un 15-20% menos que sus equivalentes naturales, y se esperaba que el precio relativo bajara aún más a medida que mejora la economía de la producción. [118]
En mayo de 2018, la gran empresa mundial de diamantes De Beers anunció que introduciría una nueva marca de joyería llamada "Lightbox" que incluye diamantes sintéticos. [119]
En julio de 2018, la Comisión Federal de Comercio de EE. UU. Aprobó una revisión sustancial de sus Guías de joyería, con cambios que imponen nuevas reglas sobre cómo el comercio puede describir diamantes y simuladores de diamantes . [120] Las guías revisadas eran sustancialmente contrarias a lo que De Beers había defendido en 2016. [119] [121] [122] Las nuevas directrices eliminan la palabra "natural" de la definición de "diamante", por lo que se incluyen los diamantes cultivados en laboratorio dentro del alcance de la definición de "diamante". La guía revisada establece además que "si un comercializador usa 'sintético' para implicar que el diamante cultivado en laboratorio de un competidor no es un diamante real, ... esto sería engañoso". [2] [121]
La marca De Beers Lightbox ingresó al mercado a partir de septiembre de 2018. De Beers había limitado previamente su producción de diamantes sintéticos a aplicaciones industriales. [119] [123] En noviembre de 2018, el sitio web de la marca describe que los diamantes cuestan $ 200 por una piedra de un cuarto de quilate, $ 400 por medio quilate y $ 800 por un quilate completo. Estos precios son mucho más bajos que la mayoría de las ofertas anteriores: alrededor de una décima parte del precio de diamantes extraídos similares y menos de una cuarta parte del precio de los diamantes sintéticos ofrecidos a la venta en mayo de 2018 por otro productor, Diamond Foundry . [124] Sin embargo, Lightbox no ofrece piedras a la venta sin que estén montadas en un engaste (lo que aumenta un poco el precio), y la marca solo ofrece engastes de calidad relativamente baja (engastes de plata esterlina, chapado en oro rosa o en oro de 10K, no oro macizo de alto quilates o platino) y solo ofrece engastes para aretes y collares, no anillos. [125] El sitio web enfatiza las piedras rosas y azules, aunque también se ofrecen piedras incoloras. La página de preguntas frecuentes del sitio web dice que los diamantes cultivados en laboratorio "no son ni tan valiosos ni preciosos" como las piedras naturales. [125] Las joyas de la marca Lightbox se promocionan como "para estados de ánimo y momentos más tranquilos, como cumpleaños y días de playa y simplemente porque los días", y los artículos se proporcionan en lo que The New York Times llamó "cajas de regalo de cartón de colores dulces". . [125] Las joyas Lightbox se ofrecen a la venta solo directamente a través del sitio web, aunque el sitio dice que se agregarán algunas ubicaciones de ventas asociadas en 2019. [125]
Ver también
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