El diamante cultivado en laboratorio ( LGD ; [1] también llamado diamante cultivado en laboratorio , creado en laboratorio , hecho por el hombre , creado artesanalmente , artificial , sintético o cultivado ) es un diamante que se produce en un proceso tecnológico controlado (a diferencia de diamante formado naturalmente, que se crea mediante procesos geológicos y se obtiene mediante minería ). A diferencia de los simulantes de diamantes (imitaciones de diamantes hechas de materiales superficialmente similares que no son diamantes), los diamantes sintéticos están compuestos del mismo material que los diamantes formados naturalmente ( carbono puro cristalizado en una forma isotrópica 3D) y comparten propiedades químicas y físicas idénticas .
Entre 1879 y 1928 se informaron numerosas afirmaciones sobre la síntesis de diamantes; la mayoría de estos intentos fueron analizados cuidadosamente pero ninguno fue confirmado. En la década de 1940, se inició una investigación sistemática sobre la creación de diamantes en los Estados Unidos, Suecia y la Unión Soviética , que culminó con la primera síntesis reproducible en 1953. La actividad de investigación adicional produjo los descubrimientos del diamante de alta presión y alta temperatura ( HPHT ) y del diamante CVD . llamado así por su método de producción (alta presión, alta temperatura y deposición química de vapor , respectivamente). Estos dos procesos todavía dominan la producción de diamantes sintéticos. Un tercer método en el que se crean granos de diamante de tamaño nanométrico mediante la detonación de explosivos que contienen carbono, conocido como síntesis de detonación , entró en el mercado a finales de los años 1990. Se ha demostrado en el laboratorio un cuarto método, el tratamiento del grafito con ultrasonidos de alta potencia , pero actualmente no tiene aplicación comercial.
Las propiedades de los diamantes sintéticos dependen del proceso de fabricación. Algunos 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 utiliza 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 con CO de alta potencia.
2láseres y girotrones . Se estima que el 98% de la demanda de diamantes de calidad industrial se abastece con diamantes sintéticos. [2]
Tanto los diamantes CVD como HPHT se pueden cortar en gemas y se pueden producir varios colores: blanco claro, amarillo, marrón, azul, verde y naranja. La llegada de las gemas sintéticas al mercado generó 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.
En las primeras etapas de la síntesis del diamante, la figura fundadora de la química moderna, Antoine Lavoisier, jugó un papel importante. Su innovador descubrimiento de que la red cristalina del diamante es similar a la estructura cristalina del carbono allanó el camino para los primeros intentos de producir diamantes. [3] Después de que se descubrió que el diamante era carbono puro en 1797, [4] [5] se hicieron muchos intentos para convertir varias formas baratas de carbono en diamante. [6] [a] Los primeros éxitos fueron reportados por James Ballantyne Hannay en 1879 [11] y por Ferdinand Frédéric Henri Moissan en 1893. Su método consistía en calentar carbón vegetal a hasta 3500 °C (6330 °F) con hierro dentro de un recipiente de carbón . crisol en un horno. Mientras que Hannay utilizó un tubo calentado por llama, Moissan aplicó su nuevo horno de arco eléctrico , en el que se generaba un arco eléctrico entre varillas de carbón dentro de bloques de cal . [12] 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] [13]
Muchos otros científicos intentaron replicar sus experimentos. Sir William Crookes afirmó haber tenido éxito en 1909. [14] Otto Ruff afirmó en 1917 haber producido diamantes de hasta 7 mm (0,28 pulgadas) de diámetro, [15] pero luego se retractó de su afirmación. [16] En 1926, el Dr. J. Willard Hershey del McPherson College replicó los experimentos de Moissan y Ruff, [17] [18] produciendo un diamante sintético. [19] A pesar de las afirmaciones de Moissan, Ruff y Hershey, otros experimentadores no pudieron reproducir su síntesis. [20] [21]
Los intentos de replicación más definitivos fueron realizados por Sir Charles Algernon Parsons . Destacado científico e ingeniero conocido por su invención de la turbina de vapor , dedicó unos 40 años (1882-1922) y una parte considerable de su fortuna a intentar reproducir los experimentos de Moissan y Hannay, pero también adaptó sus propios procesos. [22] Parsons era conocido por su enfoque minuciosamente preciso y su mantenimiento metódico de registros; Todas las muestras resultantes fueron conservadas para su posterior análisis por parte de un grupo independiente. [23] Escribió varios artículos, algunos de los primeros sobre diamantes HPHT, en los que afirmaba haber producido diamantes pequeños. [24] Sin embargo, en 1928, autorizó al Dr. CH Desch a publicar un artículo [25] en el que afirmaba 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 espinela sintética . [20]
La primera síntesis de diamantes conocida (pero inicialmente no reportada) se logró el 16 de febrero de 1953 en Estocolmo por ASEA (Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget), la principal empresa de fabricación de equipos eléctricos de Suecia. A partir de 1942, ASEA empleó a un equipo de cinco científicos e ingenieros como parte de un proyecto ultrasecreto de fabricación de diamantes cuyo nombre en código era QUINTUS. El equipo utilizó un voluminoso aparato de esfera dividida diseñado por Baltzar von Platen y Anders Kämpe. [26] [27] La presión se mantuvo dentro del dispositivo a un estimado de 8,4 GPa (1.220.000 psi) y una temperatura de 2.400 °C (4.350 °F) durante una hora. Se produjeron algunos diamantes pequeños, pero no de la calidad ni del tamaño de una gema.
Debido a preguntas sobre el proceso de patentes y la creencia razonable de que no se realizaron otras investigaciones serias sobre síntesis de diamantes a nivel mundial, la junta de ASEA optó por no hacer publicidad ni solicitar patentes. Así, el anuncio de los resultados de ASEA se produjo poco después de la conferencia de prensa de GE del 15 de febrero de 1955. [28]
En 1941, se llegó a un acuerdo entre las empresas General Electric (GE), Norton y Carborundum para seguir desarrollando la síntesis de diamantes. Pudieron calentar carbono 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. [26]
El grupo Schenectady mejoró los yunques diseñados por Percy Bridgman , quien recibió el Premio Nobel de Física 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 exprime del recipiente hacia una junta. El equipo registró la síntesis de diamantes en una ocasión, pero el experimento no pudo reproducirse debido a condiciones de síntesis inciertas, [29] y más tarde se demostró que el diamante era un diamante natural utilizado como semilla. [30]
Hall logró la primera síntesis comercial exitosa de diamante 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 "cinturón", que era capaz de producir presiones superiores a 10 GPa (1.500.000 psi) y temperaturas por encima de 2000 °C (3630 °F). [31] La prensa utilizaba un recipiente de pirofilita en el que se disolvía grafito en níquel , cobalto o hierro fundido. Esos metales actuaban como un "disolvente- catalizador ", que disolvía el carbono y aceleraba su conversión en diamante. El diamante más grande que produjo tenía 0,15 mm (0,0059 pulgadas) de ancho; era demasiado pequeño y visualmente imperfecto para joyería, pero utilizable en abrasivos industriales. Los compañeros de trabajo de Hall pudieron replicar su trabajo y el descubrimiento se publicó en la importante revista Nature . [32] [33] Fue la primera persona en cultivar un diamante sintético con un proceso reproducible, verificable y bien documentado. Dejó GE en 1955 y tres años después 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 patentes de GE. [30] [34]
Los cristales de diamantes sintéticos con calidad de gema fueron producidos por primera vez en 1970 por GE y luego reportados 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 hasta aproximadamente 5,5 GPa (800.000 psi). Los cristales crecen a medida que fluyen desde el centro hasta los extremos del tubo, y al extender la longitud del proceso se producen cristales más grandes. Inicialmente, un proceso de crecimiento de una semana produjo piedras con calidad de gema de alrededor de 5 mm (0,20 pulgadas) (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 permitía un control mucho mejor de la forma del cristal final. [33] [35]
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 placas" de 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. [36] La eliminación de nitrógeno también ralentizó el proceso de crecimiento y redujo la calidad cristalina, por lo que el proceso normalmente se realizaba con nitrógeno presente.
Aunque las piedras transgénicas y los diamantes naturales eran químicamente idénticos, sus propiedades físicas no eran las mismas. Las piedras incoloras produjeron una fuerte fluorescencia y fosforescencia bajo luz ultravioleta de onda corta, pero eran inertes bajo luz ultravioleta de onda larga. Entre los diamantes naturales, sólo las gemas azules, más raras, exhiben estas propiedades. A diferencia de los diamantes naturales, todas las piedras GE mostraron una fuerte fluorescencia amarilla bajo los rayos X. [37] El Laboratorio de Investigación de Diamantes De Beers ha cultivado piedras de hasta 25 quilates (5,0 g) con fines de investigación. Se mantuvieron condiciones HPHT estables durante seis semanas para cultivar diamantes de alta calidad de este tamaño. Por razones económicas, el crecimiento de la mayoría de los diamantes sintéticos finaliza cuando alcanzan una masa de 1 quilate (200 mg) a 1,5 quilates (300 mg). [38]
En la década de 1950, se iniciaron investigaciones en la Unión Soviética y Estados Unidos sobre el crecimiento del diamante mediante pirólisis de gases de hidrocarburos a una temperatura relativamente baja de 800 °C (1470 °F). Este proceso de baja presión se conoce como deposición química de vapor (CVD). Según se informa, William G. Eversole logró la deposición de vapor de diamante sobre un sustrato de diamante en 1953, pero no se informó hasta 1962. [39] [40] La deposición de película de diamante fue reproducida de forma independiente por Angus y sus compañeros de trabajo en 1968 [41] y por Deryagin y Fedoseev. en 1970. [42] [43] Mientras que Eversole y Angus utilizaron diamantes monocristalinos grandes y costosos como sustratos, Deryagin y Fedoseev lograron fabricar películas de diamantes sobre materiales no diamantados ( silicio y metales), lo que llevó a una investigación masiva sobre recubrimientos de diamante económicos en la década de 1980. [44]
A partir de 2013, surgieron informes sobre un aumento en los diamantes cuerpo a cuerpo sintéticos no revelados (pequeños diamantes redondos que generalmente se usan para enmarcar un diamante central o embellecer una banda) [45] que se encuentran en joyas engastadas y dentro de paquetes de diamantes vendidos en el comercio. [46] Debido al costo relativamente bajo del diamante cuerpo a cuerpo, así como a la relativa falta de conocimiento universal para identificar grandes cantidades de cuerpo a cuerpo de manera eficiente, [47] no todos los comerciantes han hecho un esfuerzo para probar el diamante cuerpo a cuerpo para identificar correctamente si es de origen natural o sintético. Sin embargo, los laboratorios internacionales están empezando a abordar el problema de frente, con mejoras significativas en la identificación cuerpo a cuerpo sintética. [48]
Existen varios métodos utilizados 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 implica grandes prensas que pueden pesar cientos de toneladas para producir una presión de 5 GPa (730.000 psi) a 1.500 °C (2.730 °F). El segundo método, que utiliza la deposición química de vapor (CVD), crea un plasma de carbono sobre un sustrato sobre el que se depositan los átomos de carbono para formar diamante. Otros métodos incluyen la formación de explosivos (formación de nanodiamantes de detonación ) y la sonicación de soluciones de grafito. [49] [50] [51]
En el método HPHT, se utilizan tres diseños de prensas principales para suministrar la presión y 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 el fondo de la prensa. La parte interna de la prensa se calienta por encima de 1.400 °C (2.550 °F) 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 precipita , formando un gran diamante sintético. [52]
La invención original de GE de Tracy Hall utiliza la prensa de banda en la que los yunques superior e inferior suministran la carga de presión a una celda interna cilíndrica. Esta presión interna está confinada radialmente por una correa de bandas de acero pretensadas. Los yunques también sirven como electrodos que suministran corriente eléctrica a la celda comprimida. Una variación de la prensa de cinta utiliza presión hidráulica , en lugar de correas de acero, para limitar la presión interna. [52] Las prensas de banda todavía se utilizan hoy en día, pero se construyen a una escala mucho mayor que las del diseño original. [53]
El segundo tipo de diseño de prensa es la prensa cúbica. Una prensa cúbica tiene seis yunques que ejercen presión simultáneamente sobre todas las caras de un volumen en forma de cubo. [54] El primer diseño de prensa de yunques múltiples fue una prensa tetraédrica, que utilizaba cuatro yunques para converger en un volumen en forma de tetraedro . [55] 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 temperatura necesarias para crear diamante sintético. Sin embargo, las prensas cúbicas no se pueden ampliar fácilmente a volúmenes mayores: el volumen presurizado se puede aumentar usando 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 entre el área de superficie y el volumen del volumen presurizado, utilizando más yunques para converger en un sólido platónico de orden superior , como un dodecaedro . Sin embargo, una prensa de este tipo sería compleja y difícil de fabricar. [54]
Se afirma que el aparato BARS es el más compacto, eficiente y económico de todas las prensas productoras de diamantes. En el centro de un dispositivo BARS, hay una "cápsula de síntesis" cilíndrica de cerámica de aproximadamente 2 cm 3 (0,12 pulgadas cúbicas) de tamaño. La celda se coloca en un cubo de material transmisor de presión, como cerámica de pirofilita, que se presiona mediante yunques internos hechos de carburo cementado (por ejemplo, carburo de tungsteno o aleación dura VK10). [56] La cavidad octaédrica exterior está presionada por 8 yunques exteriores de acero. Después del montaje, todo el conjunto se bloquea en un barril tipo disco con un diámetro de aproximadamente 1 m (3 pies 3 pulgadas). 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 . [57]
La deposición química de vapor es un método mediante el cual se puede cultivar diamante a partir de una mezcla de gases de hidrocarburos. Desde principios de los años 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 de diamantes CVD incluyen la capacidad de hacer crecer diamantes en grandes áreas y en diversos sustratos, y el fino control sobre las impurezas químicas y, por tanto, las propiedades del diamante producido. A diferencia de HPHT, el proceso CVD no requiere altas presiones, ya que el crecimiento normalmente ocurre a presiones inferiores a 27 kPa (3,9 psi). [49] [58]
El crecimiento de CVD implica la preparación del sustrato, alimentando cantidades variables de gases a una cámara y energizándolos. La preparación del sustrato incluye elegir un material apropiado y su orientación cristalográfica; limpiarlo, a menudo con polvo de diamante para desgastar un sustrato sin diamante; y optimizar la temperatura del sustrato (aproximadamente 800 °C (1470 °F)) durante el crecimiento a través de una serie de pruebas. Los gases siempre incluyen una fuente de carbono, normalmente metano , e hidrógeno en una proporción típica de 1:99. El hidrógeno es esencial porque elimina 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, el plasma elimina los materiales de la cámara y pueden incorporarse al diamante en crecimiento. En particular, el diamante CVD suele estar contaminado por silicio procedente de las ventanas de sílice de la cámara de crecimiento o del sustrato de silicio. [59] Por lo tanto, las ventanas de sílice se evitan o se alejan del sustrato. Las especies que contienen boro en la cámara, incluso en niveles de trazas muy bajos, también la hacen inadecuada para el crecimiento de diamante puro. [49] [58] [60]
Los nanocristales de diamante (5 nm (2,0 × 10 −7 pulgadas) de diámetro) se pueden formar detonando ciertos explosivos que contienen carbono en una cámara de metal. Estos se denominan "nanodiamantes de detonación". Durante la explosión, la presión y la temperatura en la cámara aumentan lo suficiente como para convertir el carbono de los explosivos en diamante. Al estar sumergida en agua, la cámara se enfría rápidamente después de la explosión, lo que suprime la conversión del diamante recién producido en grafito más estable. [61] 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 el punto de convertirlo en diamante. [62] El producto siempre es rico en grafito y otras formas de carbono distintas del diamante, y requiere una ebullición prolongada en ácido nítrico caliente (aproximadamente 1 día a 250 °C (482 °F)) para disolverlos. [50] 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. [63]
Se pueden sintetizar cristales de diamante del tamaño de una micra a partir de una suspensión de grafito en líquido orgánico a presión atmosférica y temperatura ambiente mediante cavitación ultrasónica . El rendimiento del diamante es aproximadamente el 10% del peso inicial de grafito. El coste estimado del diamante producido con 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 sólo ha sido descrita 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 disolvente, aún no están optimizados, lo que deja una ventana para una posible mejora de la eficiencia y la reducción del coste de la síntesis ultrasónica. [51] [64]
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. Una 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 según cómo se creó el diamante. [sesenta y cinco]
El diamante puede ser un solo cristal continuo o puede estar formado por muchos cristales más pequeños ( policristal ). Los diamantes monocristalinos grandes, claros y transparentes se utilizan normalmente como piedras preciosas. El diamante policristalino (PCD) está formado por numerosos granos pequeños, que se pueden ver fácilmente a simple vista debido a una fuerte absorción y dispersión de la luz; No es adecuado para gemas y se utiliza para aplicaciones industriales como minería y herramientas de corte. El diamante policristalino a menudo se describe por el tamaño promedio (o tamaño de grano ) de los cristales que lo componen. Los tamaños de los granos varían desde nanómetros hasta cientos de micrómetros , normalmente denominados diamantes "nanocristalinos" y "microcristalinos", respectivamente. [66]
La dureza del diamante es 10 en la escala de dureza mineral de Mohs , siendo el material más duro conocido en esta escala. El diamante es también el material más duro conocido por su resistencia a las indentaciones. [67] La dureza del diamante sintético depende de su pureza, perfección cristalina y orientación: la dureza es mayor para cristales puros e impecables orientados en la dirección [111] (a lo largo de la diagonal más larga de la red cúbica del diamante). [68] El diamante nanocristalino producido mediante crecimiento de 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 monocristalinos sintéticos y diamantes nanocristalinos HPHT (ver hiperdiamante ) son más duros que cualquier diamante natural conocido. [67] [69] [70]
Todo diamante contiene átomos distintos del carbono en concentraciones detectables mediante técnicas analíticas. Esos átomos pueden agregarse en fases macroscópicas llamadas inclusiones. Generalmente se evitan las impurezas, pero se pueden introducir intencionalmente como una forma de controlar ciertas propiedades del diamante. Los procesos de crecimiento del diamante sintético, utilizando catalizadores disolventes, generalmente conducen a la formación de una serie de centros complejos relacionados con impurezas, que involucran átomos de metales de transición (como níquel, cobalto o hierro), que afectan las propiedades electrónicas del material. [71] [72]
Por ejemplo, el diamante puro es un aislante eléctrico , pero el diamante con boro añadido es un conductor eléctrico (y, en algunos casos, un superconductor ), [73] 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 tensiones de compresión , aumentando así la dureza y la tenacidad . [74]
La conductividad térmica del diamante CVD varía desde decenas de W/m 2 K hasta más de 2000 W/m 2 K, dependiendo de los defectos y estructuras de los límites de grano. [75] A medida que el diamante crece en CVD, los granos crecen con el espesor de la película, lo que lleva a un gradiente de conductividad térmica a lo largo de la dirección del espesor de la película. [75]
A diferencia de la mayoría de los aislantes eléctricos, el diamante puro es un excelente conductor de calor debido al fuerte enlace covalente dentro del cristal. La conductividad térmica del diamante puro es la más alta de cualquier sólido conocido. Monocristales de diamante sintético enriquecidos en12
C
(99,9%), diamante isotópicamente puro , tiene la conductividad térmica más alta de todos los materiales, 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 la13Cnaturalmente presente, lo que actúa como una falta de homogeneidad en la red. [76]
Los joyeros y gemólogos utilizan la conductividad térmica del diamante y pueden emplear una sonda térmica electrónica para separar los diamantes de sus imitaciones. Estas sondas constan de un par de termistores alimentados por baterías 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 mensurable. Esta prueba dura entre 2 y 3 segundos. [77]
La mayoría de las aplicaciones industriales del diamante sintético se han asociado durante mucho tiempo con su dureza; esta propiedad convierte al diamante en el material ideal para máquinas herramienta y herramientas de corte . Al ser 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 sierras y brocas con punta de diamante , y el uso de polvo de diamante como abrasivo . [78] Estas son, con diferencia, las mayores aplicaciones industriales del diamante sintético. Si bien el diamante natural también se utiliza para estos fines, el diamante sintético HPHT es más popular, principalmente debido a una mejor reproducibilidad de sus propiedades mecánicas. El diamante no es adecuado para mecanizar aleaciones ferrosas a altas velocidades, ya que el carbono es soluble en hierro a las altas temperaturas creadas por el mecanizado a alta velocidad, lo que provoca un desgaste mucho mayor de las herramientas de diamante en comparación con las alternativas. [79]
La forma habitual del diamante en las herramientas de corte son granos del tamaño de una micra dispersos en una matriz metálica (generalmente cobalto) sinterizada sobre la herramienta. En la industria se suele denominar 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. [80]
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 utiliza como disipador de calor para diodos láser de alta potencia , conjuntos de 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. [81] En la tecnología de semiconductores, los esparcidores de calor de diamante sintético evitan que el silicio y otros dispositivos semiconductores se sobrecalienten. [82]
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 el seleniuro de zinc como ventana de salida de los láseres de CO 2 de alta potencia [83] y los girotrones . Esas ventanas de diamante policristalino sintético tienen forma de discos de grandes diámetros (unos 10 cm para los girotrones) y pequeños espesores (para reducir la absorción) y sólo pueden producirse con la técnica CVD. [84] [85] Las losas de cristal único con dimensiones de longitud de hasta aproximadamente 10 mm se están volviendo cada vez más importantes en varias áreas de la óptica , incluidos los disipadores de calor dentro de las cavidades láser, la óptica difractiva y como medio de ganancia óptica en los láseres Raman . [86] 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 al silicio como rejilla de difracción y material de ventana en fuentes de radiación de alta potencia, como los sincrotrones . [87] [88] Tanto el proceso CVD como el HPHT también se utilizan para crear yunques de diamante ópticamente transparentes de diseño como herramienta para medir las propiedades eléctricas y magnéticas de materiales a presiones ultra altas utilizando una celda de yunque de diamante. [89]
El diamante sintético tiene usos potenciales como semiconductor , [90] porque puede estar dopado con impurezas como boro y fósforo . Dado que estos elementos contienen un electrón de valencia más o uno menos que el carbono, convierten el diamante sintético en un semiconductor de tipo p o de tipo n . La unión ap-n mediante dopaje secuencial de diamante sintético con boro y fósforo produce diodos emisores de luz ( LED ) que producen luz ultravioleta de 235 nm. [91] Otra propiedad útil del diamante sintético para la electrónica es la alta movilidad del portador , que alcanza 4500 cm 2 /(V·s) para los electrones en el diamante CVD monocristalino. [92] La alta movilidad es favorable para el funcionamiento de alta frecuencia y los transistores de efecto de campo fabricados con diamante ya han demostrado un rendimiento prometedor de alta frecuencia por encima de 50 GHz. [93] [94] La banda prohibida ancha del diamante (5,5 eV) le confiere excelentes propiedades dieléctricas. Combinadas con la alta estabilidad mecánica del diamante, esas propiedades se están utilizando en prototipos de interruptores de alta potencia para centrales eléctricas. [95]
En el laboratorio se han producido transistores de diamante sintético. Siguen siendo funcionales a temperaturas mucho más altas que los dispositivos de silicio y son resistentes a daños químicos y por radiación. Si bien todavía no se han integrado con éxito transistores de diamante en la electrónica comercial, su uso es prometedor en situaciones de potencia excepcionalmente alta y entornos hostiles no oxidantes. [96] [97]
El diamante sintético ya se utiliza como dispositivo de detección de radiación . Es resistente a la radiación y tiene una amplia banda prohibida de 5,5 eV (a temperatura ambiente). El diamante también se distingue de la mayoría de los demás 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 [98] y BOLD (Ciego a los detectores de luz óptica para observaciones solares VUV ). [99] [100] Recientemente se utilizó un detector VUV de diamantes en el programa europeo LYRA .
El diamante CVD conductor es un electrodo útil en muchas circunstancias. [101] Se han desarrollado métodos fotoquímicos para unir covalentemente el ADN a la superficie de películas de diamante policristalino producidas mediante CVD. Estas películas modificadas con ADN se pueden utilizar para detectar diversas biomoléculas que interactuarían con el ADN y cambiarían así la conductividad eléctrica de la película de diamante. [102] Además, los diamantes se pueden utilizar para detectar reacciones redox que normalmente no se pueden estudiar y, en algunos casos, degradar los contaminantes orgánicos reactivos redox en los suministros de agua. Debido a que el diamante es mecánica y químicamente estable, puede usarse 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 [103] y en la producción de oxidantes fuertes. [104]
Los diamantes sintéticos para su uso como piedras preciosas se cultivan mediante métodos HPHT [38] o CVD [105] y representaban aproximadamente el 2 % del mercado de diamantes con calidad de gema en 2013. [106] 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 tecnológicos permitan una mayor producción sintética de mayor calidad a una escala más económica. [107] Están disponibles en amarillo, rosa, verde, naranja, azul y, en menor medida, incoloros (o blancos). El color amarillo proviene de las impurezas de nitrógeno en el proceso de fabricación, mientras que el color azul proviene del boro. [36] Otros colores, como el rosa o el verde, se pueden lograr después de la síntesis mediante irradiación. [108] [109] Varias empresas también ofrecen diamantes conmemorativos cultivados a partir de restos cremados. [110]
Los diamantes con calidad de gema cultivados en un laboratorio pueden ser química, física y ópticamente idénticos a los que se encuentran de forma natural. La industria de los diamantes extraídos ha adoptado contramedidas legales, de comercialización y distribución para tratar de proteger su mercado de la presencia emergente de diamantes sintéticos. [111] [112] Los diamantes sintéticos se pueden distinguir mediante espectroscopia en las longitudes de onda infrarroja , ultravioleta o de rayos X. El probador DiamondView de De Beers utiliza fluorescencia UV para detectar trazas de impurezas de nitrógeno, níquel u otros metales en diamantes HPHT o CVD. [113]
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 con números de serie grabados con láser en todas sus piedras preciosas. [105] El sitio web de la empresa muestra un ejemplo de las letras de una de sus inscripciones láser, que incluye tanto las palabras " Gémesis creada" como el prefijo del número de serie "LG" (crecido en laboratorio). [114]
En mayo de 2015, se estableció un récord para un diamante incoloro HPHT con 10,02 quilates. La joya facetada fue tallada a partir de una piedra de 32,2 quilates que creció en unas 300 horas. [115] En 2022, se estaban produciendo diamantes con calidad de gema de 16 a 20 quilates. [116]
La minería tradicional de diamantes ha dado lugar a abusos contra los derechos humanos en África y otros países mineros. La película de Hollywood de 2006 Blood Diamond ayudó a dar a conocer el problema. La demanda de diamantes sintéticos por parte de los consumidores ha ido aumentando, aunque desde una base pequeña, a medida que los clientes buscan piedras que sean éticamente sólidas y más baratas. [117]
Según un informe del Consejo de Promoción de Exportaciones de Joyas y Gemas, los diamantes sintéticos representaron el 0,28 % de los diamantes producidos para su uso como piedras preciosas en 2014. [118] En abril de 2022, CNN Business [119] informó que los anillos de compromiso con un material sintético o Los diamantes cultivados en laboratorio aumentaron un 63 % en comparación con el año anterior, mientras que la cantidad de anillos de compromiso vendidos con un diamante natural disminuyó un 25 % en el mismo período.
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, volviéndose claramente más bajo que el de los diamantes extraídos. [120] A partir de 2017, los diamantes sintéticos vendidos como joyería normalmente se vendían entre un 15% y un 20% menos que sus equivalentes naturales; Se esperaba que el precio relativo disminuyera aún más a medida que mejorara la economía de producción. [121]
En mayo de 2018, De Beers anunció que presentaría una nueva marca de joyería llamada "Lightbox" que presenta diamantes sintéticos. [122]
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 los diamantes y los simulantes de diamantes . [123] Las guías revisadas eran sustancialmente contrarias a lo que había defendido en 2016 De Beers. [122] [124] [125] Las nuevas directrices eliminan la palabra "natural" de la definición de "diamante", incluyendo así los diamantes cultivados en laboratorio dentro del alcance de la definición de "diamante". La guía revisada afirma además que "si un comercializador utiliza 'sintético' para dar a entender que el diamante cultivado en laboratorio de un competidor no es un diamante real,... esto sería engañoso". [126] [124] En julio de 2019, el laboratorio externo de certificación de diamantes GIA (Instituto Gemológico de América) eliminó la palabra "sintético" de su proceso de certificación e informe para diamantes cultivados en laboratorio, según la revisión de la FTC. [127]
