Un diamante sintético o diamante cultivado en laboratorio ( LGD ), también llamado diamante cultivado en laboratorio , [1] creado en laboratorio , hecho por el hombre , creado artesanalmente , artificial , sintético o diamante cultivado , es un diamante que se produce en un proceso tecnológico controlado (a diferencia del diamante formado naturalmente, que se crea a través de procesos geológicos y se obtiene mediante minería ). A diferencia de los simuladores 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 3D isótropa ) y comparten propiedades químicas y físicas idénticas . A partir de 2023, [actualizar]el diamante sintético más pesado jamás fabricado pesa 30,18 ct (6,0 g ), [2] y el diamante natural más pesado jamás encontrado pesa 3167 ct (633,4 g).
Entre 1879 y 1928 se han publicado numerosos informes sobre la síntesis de diamantes; la mayoría de estos intentos se analizaron cuidadosamente, pero ninguno se confirmó. En la década de 1940, se inició la investigación sistemática de la creación de diamantes en Estados Unidos, Suecia y la Unión Soviética , que culminó con la primera síntesis reproducible en 1953. La actividad de investigación posterior produjo los descubrimientos del diamante de alta presión y alta temperatura ( HPHT ) y el diamante CVD , llamados así por su método de producción ( deposición química de vapor y alta presión y alta temperatura , 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 en una detonación de explosivos que contienen carbono, conocido como síntesis por detonación , entró en el mercado a finales de la década de 1990. Un cuarto método, el tratamiento del grafito con ultrasonidos de alta potencia , se ha demostrado en el laboratorio, pero a fecha de 2008 no tenía 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 en CO de alta potencia .
2láseres y girotrones . Se estima que el 98% de la demanda de diamantes de grado industrial se satisface con diamantes sintéticos. [3]
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. La llegada de las gemas sintéticas al mercado generó grandes preocupaciones en el negocio del comercio de diamantes, como resultado de lo cual se desarrollaron 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 descubrimiento innovador de que la red cristalina de un diamante es similar a la estructura cristalina del carbono allanó el camino para los intentos iniciales de producir diamantes. [4] Después de que se descubrió que el diamante era carbono puro en 1797, [5] [6] se hicieron muchos intentos para convertir varias formas baratas de carbono en diamante. [7] [a] Los primeros éxitos fueron informados por James Ballantyne Hannay en 1879 [12] y por Ferdinand Frédéric Henri Moissan en 1893. Su método implicaba calentar carbón a hasta 3500 °C (6330 °F) con hierro dentro de un crisol de carbono en un horno. Mientras que Hannay utilizó un tubo calentado por llama, Moissan aplicó su horno de arco eléctrico recientemente desarrollado , en el que se encendía un arco eléctrico entre varillas de carbono dentro de bloques de cal . [13] 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. [7] [14]
Muchos otros científicos intentaron replicar sus experimentos. Sir William Crookes afirmó haber tenido éxito en 1909. [15] Otto Ruff afirmó en 1917 haber producido diamantes de hasta 7 mm (0,28 pulgadas) de diámetro, [16] pero más tarde se retractó de su afirmación. [17] En 1926, el Dr. J. Willard Hershey del McPherson College replicó los experimentos de Moissan y Ruff, [18] [19] produciendo un diamante sintético. [20] A pesar de las afirmaciones de Moissan, Ruff y Hershey, otros experimentadores no pudieron reproducir su síntesis. [21] [22]
Los intentos de replicación más definitivos fueron realizados por Sir Charles Algernon Parsons . Un destacado científico e ingeniero 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 procesos propios. [23] Parsons era conocido por su enfoque minuciosamente preciso y su registro metódico; todas sus muestras resultantes se conservaron para un análisis posterior por parte de una parte independiente. [24] Escribió varios artículos, algunos de los primeros sobre el diamante HPHT, en los que afirmaba haber producido diamantes pequeños. [25] Sin embargo, en 1928, autorizó al Dr. CH Desch a publicar un artículo [26] en el que manifestaba su creencia de que no se habían producido diamantes sintéticos (incluidos los de Moissan y otros) hasta esa fecha. Sugirió que la mayoría de los diamantes que se habían producido hasta ese momento probablemente eran espinela sintética . [21]
La primera síntesis de diamantes conocida (aunque inicialmente no reportada) fue lograda 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 un equipo de cinco científicos e ingenieros como parte de un proyecto de fabricación de diamantes de alto secreto llamado QUINTUS. El equipo utilizó un aparato voluminoso de esfera dividida diseñado por Baltzar von Platen y Anders Kämpe. [27] [28] 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 calidad o tamaño de gema.
Debido a las dudas sobre el proceso de patente y a la creencia razonable de que no se había realizado ninguna otra investigación seria sobre síntesis de diamantes a nivel mundial, la junta directiva de ASEA optó por no hacer publicidad ni solicitar patentes. Por lo tanto, el anuncio de los resultados de ASEA se produjo poco después de la conferencia de prensa de GE del 15 de febrero de 1955. [29]
En 1941, las empresas General Electric (GE), Norton y Carborundum llegaron a un acuerdo para seguir desarrollando la síntesis de diamantes. Consiguieron calentar el carbono a unos 3000 °C (5430 °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. [27]
El grupo de Schenectady mejoró los yunques diseñados por Percy Bridgman , quien recibió un 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 el grano terminado se extrajo del recipiente hacia una junta. El equipo registró la síntesis de diamante en una ocasión, pero el experimento no pudo reproducirse debido a las condiciones de síntesis inciertas, [30] y más tarde se demostró que el diamante había sido un diamante natural utilizado como semilla. [31]
Hall logró la primera síntesis comercialmente exitosa de diamante el 16 de diciembre de 1954, y esto fue anunciado el 15 de febrero de 1955. Su gran avance se produjo cuando utilizó una prensa con una "banda" toroidal de acero endurecido tensada hasta su límite elástico envuelta alrededor de la muestra, produciendo presiones superiores a 10 GPa (1.500.000 psi) y temperaturas superiores a 2.000 °C (3.630 °F). [32] La prensa utilizó un recipiente de pirofilita en el que se disolvió grafito dentro de níquel fundido , cobalto o hierro. Esos metales actuaron como un "disolvente- catalizador ", que disolvió el carbono y aceleró 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 colaboradores de Hall pudieron replicar su trabajo y el descubrimiento se publicó en la importante revista Nature . [33] [34] Fue la primera persona que logró hacer crecer 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 confidencialidad del Departamento de Comercio de los EE. UU . sobre las solicitudes de patente de GE. [31] [35]
Los cristales de diamante sintéticos de calidad gema fueron producidos por primera vez en 1970 por GE, y luego informados 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 (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 de calidad 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. El grafito se reemplazó pronto por grano de diamante porque permitía un control mucho mejor de la forma del cristal final. [34] [36]
Las primeras piedras de calidad gema siempre tenían un color entre amarillo y 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. [37] La eliminación del nitrógeno también ralentizó el proceso de crecimiento y redujo la calidad cristalina, por lo que el proceso normalmente se llevó a cabo con nitrógeno presente.
Aunque las piedras GE y los diamantes naturales eran químicamente idénticos, sus propiedades físicas no eran las mismas. Las piedras incoloras producían una fuerte fluorescencia y fosforescencia bajo la luz ultravioleta de onda corta, pero eran inertes bajo la 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 GE mostraron una fuerte fluorescencia amarilla bajo rayos X. [38] 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 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 finaliza cuando alcanzan una masa de 1 quilate (200 mg) a 1,5 quilates (300 mg). [39]
En la década de 1950, en la Unión Soviética y los EE. UU. se inició una investigación 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 en fase de vapor (CVD). William G. Eversole supuestamente logró la deposición en fase de vapor de diamante sobre un sustrato de diamante en 1953, pero no se informó de ello hasta 1962. [40] [41] La deposición de película de diamante fue reproducida de forma independiente por Angus y colaboradores en 1968 [42] y por Deryagin y Fedoseev en 1970. [43] [44] Mientras que Eversole y Angus utilizaron diamantes grandes y costosos de un solo cristal como sustratos, Deryagin y Fedoseev lograron hacer películas de diamante sobre materiales distintos del diamante ( silicio y metales), lo que condujo a una investigación masiva sobre recubrimientos de diamante económicos en la década de 1980. [45]
A partir de 2013, se han publicado informes sobre un aumento de diamantes sintéticos no revelados (pequeños diamantes redondos que se suelen utilizar para enmarcar un diamante central o adornar una banda) [46] que se encuentran en joyas engastadas y dentro de paquetes de diamantes vendidos en el comercio. [47] Debido al coste relativamente bajo de los diamantes melee, así como a la relativa falta de conocimientos universales para identificar grandes cantidades de ellos de manera eficiente, [48] no todos los comerciantes han hecho un esfuerzo por analizar los diamantes melee para identificar correctamente si son de origen natural o sintético. Sin embargo, los laboratorios internacionales están empezando a abordar el problema de frente, y se están realizando mejoras significativas en la identificación de los diamantes melee sintéticos. [49]
Existen varios métodos para producir diamantes sintéticos. El método original utiliza alta presión y alta temperatura (HPHT) y todavía se utiliza 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 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 explosiva (formación de nanodiamantes por detonación ) y la sonicación de soluciones de grafito. [50] [51] [52]
En el método HPHT, se utilizan tres diseños de prensa principales para suministrar la presión y la temperatura necesarias para producir diamantes sintéticos: 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 los 1400 °C (2550 °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. [53]
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 interior cilíndrica. Esta presión interna está limitada radialmente por una banda de bandas de acero pretensadas. 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. [53] Las prensas de banda todavía se utilizan hoy en día, pero se construyen a una escala mucho mayor que las del diseño original. [54]
El segundo tipo de diseño de prensa es la prensa cúbica. Una prensa cúbica tiene seis yunques que proporcionan presión simultáneamente sobre todas las caras de un volumen en forma de cubo. [55] El primer diseño de prensa de múltiples yunques fue una prensa tetraédrica, que usaba cuatro yunques para converger en un volumen en forma de tetraedro . [56] La prensa cúbica se creó poco después para aumentar el volumen al que se podía aplicar presión. Una prensa cúbica es típicamente más pequeña que una prensa de banda y puede alcanzar más rápidamente la presión y la temperatura necesarias para crear diamantes sintéticos. Sin embargo, las prensas cúbicas no se pueden ampliar fácilmente a volúmenes mayores: 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 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. [55]
Se afirma que el aparato BARS es la prensa para producir diamantes más compacta, eficiente y económica de todas. En el centro de un dispositivo BARS hay una "cápsula de síntesis" cilíndrica de cerámica de unos 2 cm3 ( 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). [57] La cavidad octaédrica exterior se presiona mediante 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 de 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 . [58]
La deposición química en fase de vapor es un método mediante el cual se puede cultivar diamantes a partir de una mezcla de hidrocarburos gaseosos. Desde principios de los años 1980, este método ha sido objeto de una intensa investigación en todo el mundo. Mientras que la producción en masa de cristales de diamantes 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 diamantes por CVD en la investigación de laboratorio. Las ventajas del crecimiento de diamantes por CVD incluyen la capacidad de cultivar diamantes en grandes áreas y en varios sustratos, y el control preciso sobre las impurezas químicas y, por lo tanto, las propiedades del diamante producido. A diferencia del HPHT, el proceso de CVD no requiere altas presiones, ya que el crecimiento generalmente ocurre a presiones inferiores a 27 kPa (3,9 psi). [50] [59]
El crecimiento CVD implica la preparación del sustrato, la alimentación de cantidades variables de gases en una cámara y su energización. La preparación del sustrato incluye la elección de un material apropiado y su orientación cristalográfica; limpiarlo, 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 (1470 °F)) durante el crecimiento a través de una serie de pruebas. Además, la optimización de la composición de la mezcla de gases y las velocidades de flujo es primordial para garantizar un crecimiento de diamante uniforme y de alta calidad. Los gases siempre incluyen una fuente de carbono, típicamente metano , e hidrógeno con una proporción típica de 1:99. El hidrógeno es esencial porque graba selectivamente el carbono que no es de 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 se graban con plasma y pueden incorporarse al diamante en crecimiento. En particular, el diamante CVD a menudo se contamina con silicio procedente de las ventanas de sílice de la cámara de crecimiento o del sustrato de silicio. [60] 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 traza muy bajos, también la hacen inadecuada para el crecimiento de diamante puro. [50] [59] [61]
Los nanocristales de diamante (de 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 se vuelven lo suficientemente altas como para convertir el carbono de los explosivos en diamante. Al estar sumergida en agua, la cámara se enfría rápidamente después de la explosión, suprimiendo la conversión del diamante recién producido en grafito más estable. [62] 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 en una medida suficiente para su conversión en diamante. [63] El producto siempre es rico en grafito y otras formas de carbono que no son diamante, y requiere una ebullición prolongada en ácido nítrico caliente (aproximadamente 1 día a 250 °C (482 °F)) para disolverlos. [51] 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. [64]
Los cristales de diamante de tamaño micrométrico se pueden sintetizar a partir de una suspensión de grafito en líquido orgánico a presión atmosférica y temperatura ambiente utilizando cavitación ultrasónica . El rendimiento de diamante es de aproximadamente el 10% del peso inicial del grafito. El costo estimado del diamante producido por este método es comparable al del método HPHT, pero la perfección cristalina del producto es significativamente peor para la síntesis ultrasónica. Esta técnica requiere equipos y procedimientos relativamente simples, y ha sido reportada por dos grupos de investigación, pero no tenía uso industrial a partir de 2008. 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, no fueron optimizados, dejando una ventana para una posible mejora de la eficiencia y reducción del costo de la síntesis ultrasónica. [52] [65]
En 2024, los científicos anunciaron un método que utiliza la inyección de gases de metano e hidrógeno en una aleación de metal líquido de galio, hierro, níquel y silicio (relación 77,25/11,00/11,00/0,25) a aproximadamente 1025 °C para cristalizar el diamante a 1 atmósfera de presión. La cristalización es un proceso "sin semillas", lo que lo distingue aún más de los métodos convencionales de deposición química en fase de vapor o de alta presión y alta temperatura . La inyección de metano e hidrógeno da como resultado un núcleo de diamante después de unos 15 minutos y, finalmente, una película de diamante continua después de unos 150 minutos. [66] [67]
Tradicionalmente, la ausencia de defectos en los cristales 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 la comercialización) lo convierten en una piedra preciosa popular. La alta conductividad térmica también es importante para aplicaciones técnicas. Si bien la alta dispersión óptica es una propiedad intrínseca de todos los diamantes, sus otras propiedades varían según cómo se haya creado el diamante. [68]
El diamante puede ser un único 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) 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 la minería y las herramientas de corte. El diamante policristalino se describe a menudo por el tamaño medio (o tamaño de grano ) de los cristales que lo componen. Los tamaños de grano varían de nanómetros a cientos de micrómetros , normalmente denominados diamante "nanocristalino" y "microcristalino", respectivamente. [69]
La dureza del diamante es 10 en la escala de dureza mineral de Mohs , el material más duro conocido en esta escala. El diamante también es el material natural más duro conocido por su resistencia a la indentación. [70] 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). [71] El diamante nanocristalino producido a través del crecimiento de diamante CVD puede tener una dureza que varía 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. [70] [72] [73]
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 se pueden introducir intencionalmente como una forma de controlar ciertas propiedades del diamante. Los procesos de crecimiento del diamante sintético, utilizando catalizadores de solventes, generalmente conducen a la formación de una serie de 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. [74] [75]
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 ), [76] lo que permite su uso en aplicaciones electrónicas. Las impurezas de nitrógeno impiden 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 . [77]
La conductividad térmica del diamante CVD varía de decenas de W/m2K a más de 2000 W/m2K , dependiendo de los defectos y las estructuras de los límites de grano. [ 78] A medida que el diamante en CVD crece, los granos crecen con el espesor de la película, lo que genera una conductividad térmica de gradiente a lo largo de la dirección del espesor de la película. [78]
A diferencia de la mayoría de los aislantes eléctricos, el diamante puro es un excelente conductor del calor debido al fuerte enlace covalente dentro del cristal. La conductividad térmica del diamante puro es la más alta de cualquier sólido conocido. Los cristales individuales de diamante sintético enriquecidos con12
do
(99,9 %), diamante isotópicamente puro , tiene la conductividad térmica más alta de cualquier material, 30 W/cm·K a temperatura ambiente, 7,5 veces más alta que la del cobre. La conductividad del diamante natural se reduce en un 1,1 % por la13dopresente de forma natural, lo que actúa como una falta de homogeneidad en la red. [79]
Los joyeros y gemólogos aprovechan la conductividad térmica de los diamantes para separarlos de sus imitaciones con una sonda térmica electrónica. Estas sondas consisten en un par de termistores alimentados por batería montados en una punta fina 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 aproximadamente de 2 a 3 segundos. [80]
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 . [81] Estas son, con mucho, las aplicaciones industriales más grandes del diamante sintético. Si bien el diamante natural también se usa 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 de alta velocidad, lo que genera un desgaste mucho mayor en las herramientas de diamante en comparación con las alternativas. [82]
La forma habitual del diamante en las herramientas de corte son granos de tamaño micrométrico dispersos en una matriz metálica (normalmente cobalto) sinterizada sobre la herramienta. En la industria, esto se conoce normalmente 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 sustituido significativamente a las herramientas PCD tradicionales. [83]
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 difusor 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 caros. [84] En la tecnología de semiconductores, los difusores de calor de diamante sintético evitan que el silicio y otros dispositivos semiconductores se sobrecalienten. [85]
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 ventana de salida de láseres de CO 2 de alta potencia [86] y girotrones . Esas ventanas de diamante policristalino sintético tienen forma de discos de grandes diámetros (alrededor de 10 cm para girotrones) y pequeños espesores (para reducir la absorción) y solo se pueden producir con la técnica CVD. [87] [88] Las losas de un solo cristal de dimensiones de longitud 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 . [89] 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 material de rejilla de difracción y ventana en fuentes de radiación de alta potencia, como los sincrotrones . [90] [91] Tanto los procesos CVD como HPHT también se utilizan para crear yunques de diamante ópticamente transparentes de diseño como una herramienta para medir las propiedades eléctricas y magnéticas de los materiales a presiones ultra altas utilizando una celda de yunque de diamante. [92]
El diamante sintético tiene usos potenciales como semiconductor , [93] porque puede ser dopado con impurezas como boro y fósforo . Dado que estos elementos contienen un electrón de valencia más o menos que el carbono, convierten al diamante sintético en semiconductor de tipo p o tipo n . La creación de una unión p–n mediante dopaje secuencial de diamante sintético con boro y fósforo produce diodos emisores de luz ( LED ) que producen luz UV de 235 nm. [94] Otra propiedad útil del diamante sintético para la electrónica es la alta movilidad de portadores , que alcanza los 4500 cm 2 /(V·s) para los electrones en el diamante CVD monocristalino. [95] La alta movilidad es favorable para el funcionamiento a alta frecuencia y los transistores de efecto de campo hechos de diamante ya han demostrado un rendimiento prometedor a alta frecuencia por encima de los 50 GHz. [96] [97] La amplia brecha de banda 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. [98]
Se han producido transistores de diamante sintético en el laboratorio. Siguen funcionando a temperaturas mucho más altas que los dispositivos de silicio y son resistentes a los daños químicos y a la 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. [99] [100]
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 el potencial para 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 [101] y BOLD (Blind to the Optical Light Detectors for VUV solar observations). [102] [103] Recientemente se utilizó un detector VUV de diamante en el programa europeo LYRA .
El diamante conductivo CVD es un electrodo útil en muchas circunstancias. [104] Se han desarrollado métodos fotoquímicos para unir covalentemente el ADN a la superficie de películas de diamante policristalino producidas a través de CVD. Estas películas modificadas con ADN se pueden utilizar para detectar varias biomoléculas , que interactuarían con el ADN cambiando así la conductividad eléctrica de la película de diamante. [105] 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 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 [106] y la producción de oxidantes fuertes. [107]
Los diamantes sintéticos para su uso como piedras preciosas se cultivan mediante métodos HPHT [39] o CVD [108] , y representaban aproximadamente el 2% del mercado de diamantes de calidad gema en 2013. [109] Sin embargo, hay indicios de que la cuota de mercado de los diamantes sintéticos de calidad para joyería puede crecer a medida que los avances en la tecnología permitan una mayor producción sintética de mayor calidad a una escala más económica. [110] De hecho, para 2023, la cuota de los diamantes sintéticos había aumentado al 17% del mercado general de diamantes. [111] Están disponibles en amarillo, rosa, verde, naranja, azul y, en menor medida, incoloros (o blancos). El color amarillo proviene de impurezas de nitrógeno en el proceso de fabricación, mientras que el color azul proviene del boro. [37] Otros colores, como el rosa o el verde, se pueden lograr después de la síntesis mediante irradiación. [112] [113] Varias empresas también ofrecen diamantes conmemorativos cultivados a partir de restos cremados. [114]
Los diamantes de calidad gema cultivados en un laboratorio pueden ser química, física y ópticamente idénticos a los que se producen de forma natural. La industria de los diamantes extraídos ha adoptado contramedidas legales, de marketing y de distribución para intentar proteger su mercado de la presencia emergente de diamantes sintéticos. [115] [116] Los diamantes sintéticos se pueden distinguir mediante espectroscopia en las longitudes de onda infrarrojas , ultravioletas 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. [117]
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 de los números de serie inscritos con láser en todas sus piedras preciosas. [108] 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" (creado en laboratorio) como el prefijo del número de serie "LG" (cultivado en laboratorio). [118]
En mayo de 2015, se estableció un récord para un diamante incoloro HPHT de 10,02 quilates. La joya facetada se cortó a partir de una piedra de 32,2 quilates que se cultivó en aproximadamente 300 horas. [119] Para 2022, se estaban produciendo diamantes de calidad gema de 16 a 20 quilates. [120]
La extracción tradicional de diamantes ha provocado violaciones de los derechos humanos en África y otros países mineros de diamantes. La película de Hollywood de 2006 Blood Diamond contribuyó a dar a conocer el problema. La demanda de diamantes sintéticos por parte de los consumidores ha ido en aumento, aunque desde una base pequeña, ya que los clientes buscan piedras que sean éticamente correctas y más baratas. [121]
Según un informe del Consejo de Promoción de Exportación de Gemas y Joyas, los diamantes sintéticos representaron el 0,28% de los diamantes producidos para su uso como piedras preciosas en 2014. [122] En abril de 2022, CNN Business [123] informó que los anillos de compromiso con un diamante sintético o cultivado en laboratorio aumentaron un 63% en comparación con el año anterior, mientras que el número 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. [124] A partir de 2017, los diamantes sintéticos vendidos como joyas se vendían típicamente a un precio 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. [125]
En mayo de 2018, De Beers anunció que presentaría una nueva marca de joyería llamada "Lightbox" que presenta diamantes sintéticos. [126]
En julio de 2018, la Comisión Federal de Comercio de Estados Unidos 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 simuladores de diamantes . [127] Las guías revisadas eran sustancialmente contrarias a lo que había sido defendido en 2016 por De Beers. [126] [128] [129] Las nuevas pautas 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 establece además que "si un comercializador usa 'sintético' para dar a entender que el diamante cultivado en laboratorio de un competidor no es un diamante real, ... esto sería engañoso". [130] [128] En julio de 2019, el laboratorio de certificación de diamantes de terceros 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. [131]
