Diamantul sintetic (cunoscut și ca diamant de laborator, diamant crescut în laborator sau diamant cultivat) este un diamant produs cu ajutorul unui procedeu artificial, spre deosebire de diamantele naturale, care sunt create printr-un proces geologic în natură. Mai sunt cunoscute denumirile de diamant HPHT și de diamant CVD, date după metodele de producție folosite.Din engleză: high-pressure high-temperature production method (metoda cu presiune și temperatură mare) și chemical vapor deposition production method (metoda de depunere chimică a vaporilor).
Deși adesea s-a folosit termenul de sintetic, acesta a fost considerat cumva problematic. În Statele Unite, Federal Trade Commission a indicat faptul că termenii de diamant crescut în laborator sau creat de [un anumit] producător "ar transmite mai clar natura pietrei", pentru că anumiți consumatori asociază termenul de sintetic cu ideea că produsul este o imitație – întrucât diamantele fabricate artificial sunt efectiv diamante.16 C.F.R. Part 23: Guides For The Jewelry, Precious Metals, and Pewter Industries: Federal Trade Commission Letter Declining To Amend The Guides With Respect To Use Of The Term "Cultured" , U.S. Federal Trade Commission, 21 iulie 2008.
Numeroase încercări pentru sintetizarea diamantului au fost făcute între anii 1879 și 1928; multe dintre aceste încercări au fost cu grijă analizate dar niciuna nu a fost confirmată. În anii 1940, au început cercetări sistematice pentru creșterea diamantelor prin procesele CVD și HPHT în Statele Unite, Suedia și Uniunea Sovietică . Prima sinteză reproductibilă a fost raportată în jurul anului 1953, iar aceste două procedee încă domină producția de diamante sintetice. O a treia metodă, cunoascută ca detonare, și-a făcut apariția la sfârșitul anilor 1990. În acest proces, granule de diamant de dimensiunea câtorva nanometri sunt create prin detonarea unor explozivi conținători de carbon. Într-o a patra metodă, demonstrată în laborator, dar fără aplicații comerciale în prezent, grafitul este tratat cu ultrasunete de mare putere.
Proprietățile diamantului sintetic sunt în strânsă legătură cu detaliile procedeului de fabricație; totuși, unele diamante sintetice (formate prin HPHT sau CVD) au proprietățile ca duritatea, conductivitatea termică sau mobilitatea electronilor superioare chiar față de unele diamante naturale.
Diamantele sintetice sunt utilizate pe larg ca abrazivi, la tăierea și șlefuirea uneltelor și în radiatoarele electrice. Aplicațiile electronice ale diamantelor sintetice, printre care se numără comutatoarele de la centralele electrice, tranzistozii unipolari și LED-urile, sunt în dezvoltare. Detectoarele cu diamante sintetice de lumină ultravioletă (UV) sau de particule cu energie mare sunt folosite în domenul energiei înalte și sunt disponibile comercial. Datorită combinației unice dintre stabilitatea sa termică și chimică, expansiunii termale mici și transparenței optice mari, diamantul sintetic tinde să devină cel mai popular material folosit ca sticlă optică pentru laserele cu dioxid de carbon și girotroane.
Ambele diamante de tip CVD și HPHT pot fi tăiate ca geme și se pot produce culori variate: alb pur, galben, brun, albastru, verde și portocaliu. Aspectul gemelor sintetice de pe piață a adus neliniște în rândul afacerilor cu diamante, și ca rezultat aparate spectroscopice și tehnici speciale au fost dezvoltate pentru a se putea face diferența între diamantele sintetice și cele naturale.
Istoric thumb|Moissan încercând să creeze diamante sintetice folosind un cuptor cu arc electric
După descoperirea din anul 1797 că diamantul este carbon pur, au fost realizate multe încercări de a tranforma diferite varietăți ieftine de carbon în diamant. Primele succese au fost raportate de către James Ballantyne Hannay în 1879 și Ferdinand Frédéric Henri Moissan în 1893. Metoda lor implica încălzirea mangalului până la 3500 °C cu fier în interiorul unui creuzet de carbon într-un cuptor. Întrucât Hannay a folosit o țeavă încălzită direct în flacără, Moissan a practicat metoda sa recent descoperită , cuptorul electric cu arc, în care un arc electric era lovit între tije de carbon în interiorul unor blocuri de calcar. Fierul topit era apoi răcit rapid prin scufundare în apă. Contracția generată de răcirea fierului se presupune că a produs presiunea înaltă necesară pentru a transforma grafitul în diamant. Moissan și-a publicat rezultatele într-o serie de articole în anii 1890.
Mulți alți savanți au încercat să refacă experimentul său. William Crookes pretindea că a reușit în 1909. Otto Ruff susținea în 1917 că a produs diamante de până la 7 mm în diametru, dar ulterior și-a retras afirmația. În 1926, doctorul J.Willard Hershey de la McPherson College a refăcut experimentele lui Moissan și ale lui Ruff, producând astfel un diamant sintetic; acest eșantion este expus la Muzeul McPherson din Kansas. În ciuda celor pretinse de Moissan, Ruff și Hershey, alte experimente nu au fost capabile să reproducă sinteza lor.O'Donoghue, p. 473
Cea mai definitivă încercare de replicare au fost făcute de Charles Algernon Parsons. Un savant proeminent și inginer cunoscut pentru inventarea variantei moderne a turbinei cu aburi, el și-a irosit aproximativ 40 de ani (1882–1922) și o mare parte a averii sale încercând să reproducă experimentele lui Moissan și ale lui Hannay, dar de asemenea și el și-a adaptat procese proprii. Parsons era cunoscut pentru abordarea sa precisă și migăloasă și pentru păstrarea metodicii sale de înregistrare; toate eșantioanele sale au fost conservate pentru ulterioare analize de către un partid independent.Barnard, pp. 6–7 El a scris un număr de articole — unele dintre primele referitoare la diamantele HPHT—în care el a susținut că a reușit producerea a mici diamante. Totuși, în 1928 el l-a autorizat pe doctorul C.H. Desch să publice un articol în care și-a prezentat părerea că niciun diamant sintetic (incluzându-le chiar și pe ale lui Moissan și ale altora) nu au fost de fapt produse până atunci. El a sugerat că toate diamantele care au fost produse până atunci erau cel mai probabil eșantioane de spinel.
Proiectul diamant GE
În 1941 a fost făcut un acord între companiile General Electric (GE), Norton și Carborundum pentru a dezvolta sinteza diamantelor. Acestea era în stare să încălzească carbonul la aproximativ 3000 °C la o presiune de 3,5 gigapascali pentru cțteva secunde. Curând după aceea, al Doilea Război Mondial a întrerupt proiectul. El a fost reluat în 1951 la Laboratoarele Schenectady ale GE, iar un grup de diamante de înaltă presiune a fost format cu F.P. Bundy și H.M. Strong. Tracy Hall și mulți alții s-au alăturat proiectului la scurt timp după.
Tehnologii de producere Există câteva metode folosite pentru producerea diamantelor sintetice. Metoda originală folosește presiune mare și temperatură mare (HPHT) și este încă folosită pe larg datorită costurilor care sunt relativ reduse. Procesul implică prese mari care pot cântări până la câteva sute de tone cu scopul de a produce o presiune de 5 GPa la 1500 °C. A doua metodă, care folosește depunerea de vapori (CVD), creează o plasmă de carbon peste un substrat pe care atomii de carbon sunt depuși pentru a forma diamantul. Alte metode includ formarea explozivă (formându-se nanodiamante) și sonicarea soluțiilor de grafit.
Presiune mare, temperatură mare
În procedeul cu presiune și temperatură mare (HPHT), sunt folosite trei prese principale desemnate să ofere o presiune și o temperatură necesară pentru producerea diamantelor sintetice: presa cu curea, presa hidraulică și sfera de despicare.
Detonarea explozibililor
Nano-cristale(5 mm diametru) de diamant pot fi produse prin detonarea anumitor explozibili cu conținut ridicat de carbon într-o incintă metalică. Aceste nanocristale se numesc nanodiamante de detonație. În momentul exploziei, presiunea și temperatura din incintă ating valorile necesare transformării carbonului din explozibil în diamant. În urma scufundării în apă incinta se răcește rapid după explozie, blocând transformarea diamantului proaspăt produs în grafit. O variantă a acestei tehnici este umplerea unui tub metalic cu pulbere de grafit și introducerea acestuia în incinta de detonare. Explozia încălzește și comprimă grafitul la nivelul necesar transformării sale în diamant. Produsul de reacție este bogat în grafit și alte forme ale carbonului. Fierberea sa în acid azotic (o zi la 250 °C), duce la dizolvarea acestor substanțe. Pulberea de nanodiamante recuperată este utilizată în principal în diferitele tehnici de șlefuire. China, Rusia și Belarus sunt principalii producători. Cantități disponibile la nivel industrial au apărut pe piață la începutul anilor 2000.
Proprietăți În mod tradițional, absența defectelor cristalelor este considerată a fi cea mai importantă calitate a diamantului. Puritatea și perfecțiunea cristalină mare face diamantul transparent, în timp ce duritatea, dispersia optică (luciul) și stabilitatea sa chimică îl transformă într-o piatră prețioasă populară. Conductivitatea termală mare este de asemenea un factor important pentru utilizările tehnice ale sale. Deși dispersia optică mare este o proprietate intrinsecă a tuturor diamantelor, celelalte proprietăți variază depinzând de modul de fabricare al diamantului.Spear and Dismukes, pp. 308–309
Cristalinitate Diamantul poate fi un singur și continuu cristal sau el poate fi alcătuit din mai multe cristale similare (policristal). Cristalele transparente și singure sunt cele folosite de obicei la pietrele prețioase. Diamantele policristaline constau în mai multe granule mici, care se pot vedea ușor cu ochiul liber doar prin absorbție puternică de lumină sau prin risipire; sunt improprii pentru pietrele prețioase așa că au unele aplicații industriale cum ar fi exploatarea minieră și instrumentele de tăiat. Diamantele policristaline sun adesea descrise printr-o mărime medie (sau mărime granulară) a cristalelor care le alcătuiesc. Mărimea lor variază de la câțiva nanometri la câteva sute de micrometri, de aceea fiind cunoscute și ca diamante „nanocristaline” și respectiv „microcristaline”.
Duritate Diamantul sintetic este cel mai dur material cunoscut, definiția durității fiind rezistența la zgâriere și fiind clasificată pe o scară de la 1 (cel mai moale) la 10 (cel mai dur), scară cunoscută și sub denumirea de Scara Mohs a durității minerale. Diamantul are o duritate de 10 (deci cea mai mare) pe această scară. Duritatea diamantelor sintetice depinde și de puritatea, perfecțiunea cristalină și orientarea lor: duritatea este cea mai mare pentru diamantele perfecte, cu cristale pure orientate pe direcția (adică spre cea mai lungă diagonală a structurii cubice a diamantului). Diamantele nanocristaline produse prin creșterea diamantelor CVD au o duritate ce variază de la 30% la 75% din duritatea unui singur cristal de diamant, iar duritatea poate fi controlată pentru aplicații specifice. Unele cristale singure ale diamantelor sintetice și ale diamantelor nanocristaline HPHT (vezi hiperdiamant) sunt mai dure decât orice alt diamant natural cunoscut.
Impurități și incluziuni
Fiecare diamant conține alți atomi decât cei de carbon în concentrații detectabile doar prin tehnici analitice. Acești atomi pot să se adune și să creeze unele faze macroscopice denumire incluziuni. Impuritățile sunt adesea evitate, dar pot fi introduse de asemenea pentru controlul unor proprietăți specifice ale diamantului. De exemplu, diamantul pur este un izolator electric, dar diamantul cu impurități de bor este conductor electric (și, în unele cazuri, un superconductor), ceea ce permite utilizarea în electronice. Impuritățile de azot împiedică deplasarea „dislocărilor” rețelei (care sunt defecte din cadrul structurii cristaline) rețeaua fiind supusă unei solicitări de compresiune, și astfel crește duritatea și rezistența.
Conductivitate termică