Diamantes sintéticos de varios colores, crecidos por la técnica de alta presión y alta temperatura

Los diamantes sintéticos son diamantes producidos en procesos tecnológicos, en oposición a los diamantes naturales, que son creados en procesos geológicos. Los diamantes sintéticos también son conocidos como diamantes HPHT o diamantes CVD, donde HPHT y CVD se refieren al método de producción, que son la síntesis de alta presión y alta temperatura (en inglés: high-pressure high-temperature), y deposición química de vapor (en inglés: chemical vapor deposition), respectivamente.

Han sido documentadas numerosas declaraciones, entre 1879 y 1928; cada intento ha sido analizado cuidadosamente y ninguno ha sido confirmado. En 1940, empezó una investigación sistemática en los Estados Unidos, Suecia, y la Unión Soviética, para crecer diamantes usando los procesos de deposición química de vapor y de alta presión y alta temperatura. La primera síntesis reproducible fue reportada alrededor de 1953. Estos dos procesos aún dominan la producción de diamante sintético. Un tercer método, conocido como síntesis de detonación, ha ingresado al mercado del diamante a finales de la década de 1990. En este proceso, son creados granos de diamante de tamaño en la escala nanométrica, mediante la detonación de explosivos que contienen carbono. Ha sido demostrado un cuarto método en el laboratorio: tratar grafito con ultrasónica de alta potencia, pero no tiene aún aplicaciones comerciales.

Las propiedades del diamante sintético dependen de los detalles de los procesos de manufactura, y pueden ser inferiores o superiores a las de los diamantes naturales: la dureza, conductividad térmica y movilidad electrónica son superiores en algunos diamantes sintéticos (tanto HPHT o CVD). Consecuentemente, los diamantes sintéticos son ampliamente usados en abrasivos, cortado y herramientas de pulido, y en disipadores térmicos. Están siendo desarrolladas aplicaciones electrónicas de los diamantes sintéticos, incluyendo interruptores de alto poder en centrales eléctricas, transistores de efecto de campo de alta frecuencia, y LEDs. Se usan detectores de diamante sintético de luz ultravioleta (UV) o de partículas de alta energía en centros 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 rango espectral amplio, los diamantes sintéticos están convirtiéndose en el material más popular para la fabricación de ventanas ópticas en girotrones.

Tanto los diamantes CVD y HPHT pueden ser cortados en gemas y pueden ser producidos varios colores: blanco claro, amarillo, marrón, azul, verde y anaranjado. La apariencia de las gemas sintéticas en el mercado ha creado preocupaciones importantes en el negocio de comercialización de diamantes, como resultado del cual se han desarrollado técnicas y dispositivos espectroscópicos para distinguir entre diamantes sintéticos y naturales.

Historia

Después del descubrimiento, en 1797, que el diamante era carbono puro, se han hecho muchos intentos para convertir varias formas baratas de carbono, en diamante. Los éxitos más tempranos fueron reportados por James Ballantyne Hannay en 1879^[1] y por Henri Moissan en 1893. Su método involucraba calentar hulla a 3500 °C con hierro en un horno. Aunque Hannay usó un tubo calentado a la llama, Moissan aplicó su recientemente desarrollado horno de arco eléctrico, en el que un arco eléctrico era lanzado entre barras de carbono dentro de bloques de cal.^[2] El hierro fundido era rápidamente enfriado por inmersión en agua. La contracción generada por el enfriamiento, supuestamente producía la alta presión requerida para transformar el grafito en diamante. Moissan publicó su trabajo en una serie de artículos en la década de 1890.^[3]

Muchos otros científicos intentaron replicar sus experimentos. Sir William Crookes declaró éxito en 1909. Otto Ruff declaró, en 1917, haber producido diamantes de hasta 7 mm de diámetro,^[4] pero posteriormente se retractó de su aseveración.^[5] En 1926, el Dr. Willard Hershey del McPherson College replicó los experimentos de Moissan y Ruff,^{[6] [7]} produciendo un diamante sintético; este especimen está en exhibición en el McPherson Museum en Kansas.^[8] A pesar de las declaraciones de Moissan, Ruff, y Hershey, otros experimentadores han sido incapaces de reproducir sus síntesis.^{[9] [10]}

Los intentos de replicación más definitivos fueron llevados a cabo por Sir Charles Algernon Parsons. Científico e ingeniero prominente, conocido por su invención de la turbina de vapor, pasó 30 años (1882-1922) y gastó una parte considerable de su fortuna intentando reproducir los experimentos de Moissan y Hannay, pero también adaptó procesos por su propia cuenta. Parsons fue conocido por su aproximación minuciosamente exacta y su metodicidad en el almacenamiento de registros: todos sus resultados fueron preservados para posterior análisis por un equipo independiente.^[11] Escribió un número de artículos—algunos de los más tempranos sobre diamantes HPHT—en los que declaraba haber producido diamantes pequeños.^[12] Sin embargo, en 1928, autorizó al Dr. C.H. Desch a publicar un artículo^[13] en el que enunciaba su creencia de que no había sido producidos diamantes sintéticos a la fecha (incluyendo los de Moissan y otros). Sugirió que la mayoría de diamantes que se habían producido hasta ese punto eran como espinelas sintéticas.^[9]

Proyecto de diamante de la General Electric

En 1941, se estableció un acuerdo entre las compañías General Electric (GE), Norton y Carborundum para desarrollar una síntesis de diamante. Fueron capaces de calentar carbón hasta cerca de 3000 °C bajo una presión de 3,5 GPa por unos pocos segundos. Poco después, la Segunda Guerra Mundial interrumpió el proyecto. Fue retomado en 1951 en los Schenectady Laboratories de la General Electric, y se formó un grupo de diamante de alta presión con F.P. Bundy y H.M. Strong. Howard Tracy Hall y otros se unieron a este proyecto poco después.^[14]

El grupo Schenectady hizo mejoras en los yunques diseñados por Percy Bridgman, quien recibió un Premio Nóbel por su trabajo en 1946. Bundy y Strong hicieron las primeras mejoras, luego otras más fueron hechas por Hall. El equipo GE usó prensas de carburo de tungsteno dentro de una prensa hidráulica para aplastar la muestra carbonácea contenida en un contenedor de catlinita. El equipo registró la síntesis de diamante en una oportunidad, pero el experimento no pudo ser reproducido debido a condiciones de síntesis inciertas.^[15]

Una prensa de correa producida en la década de 1980 por KOBELCO

Hall consiguió su primera síntesis comercial exitosa del diamante el 16 de diciembre de 1954, y esto fue anunciado el 15 de febrero de 1955. Este logro se consiguió usando una prensa de "correa", que es capaz de producir presiones por encima de los 10 GPa, y temperaturas sobre los 2000 °C.^[16]

La prensa de "correa" (ver a continuación) usaba un contenedor de pirofilita en el qe el grafito fue disuelto dentro de níquel, cobalto, o hierro fundido. Estos metales actuaban como un "solvente-catalizador", que tanto disolvían al carbono y aceleraban su conversión en diamante. El diamante más grande que produjo fue de 0.15 mm across; de largo; era demasiado pequeño y visualmente imperfecto para joyería, pero utilizable en abrasivos industriales. Los colaboradores de Hall fueron capaces de replicar su trabajo, y el descubrimiento fue pubilcado en la revista Nature.^{[17] [18]} Fue la primera persona en hacer crecer un diamante sintético con un proceso reproducible, verificable y bien documentado. Abandonó la General Electric en 1955, y tres años más tarde desarrolló un nuevo aparato para la síntesis de diamante—una prensa tetraédrica con cuatro yunques—para evitar infringir su patente previa, que aún estaba asignada a la General Electric.^[19] Hall recibió el Premio de la American Chemical Society por Invención Creativa por su trabajo en la síntesis del diamante.^[20]

Posteriores desarrollos

Fue conseguida una síntesis independiente del diamante el 16 de febrero de 1953 en Estocolmo, Suecia, por el Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget (ASEA), una de las principales compañías manufactureras suecas. Empezando en 1949, ASEA contrató a un equipo de cinco científicos e ingenieros como parte de un proyecto ultrasecreto de fabricación de diamante, con nombre clave QUINTUS. El equipo usó un aparato diseñado por Baltzar von Platen y Anders Kämpe.^{[14] [21]} La presión fue mantenida dentro del dispositivo a un estimado de 8,4 GPa durante una hora. Fueron producidos unos pocos diamantes pequeños, pero no del tamaño ni calidad de gema. El trabajo no fue reportado hasta la década de 1980.^[22] Durante la década de 1980, un nuevo competidor emergió en Corea, una compañía denominada Iljin Diamond; fue seguida por cientos de empresas chinas. Iljin Diamond alegó haber conseguido la síntesis de diamante en 1988 apropiándose inadecuadamente de secretos comerciales de la General Electric, a través de un anterior empleado coreano de la GE.^{[23] [24]}

Un escalpelo con hoja de un solo cristal de diamante sintético

Los primeros cristales sintéticos de diamante de calidad de gema fueron producidos en 1970 por la General Electric, siendo reportados entonces en 1971. Los primeros éxitos usaron un tubo de pirofilita con delgadas piezas de diamante a ambos extremos del tubo. El material de grafito de alimentación era colocado en el centro, y el solvente metálico (níquel) entre el grafito y los diamantes. El contenedor era calentado y la presión subida hasta aproximadamente 5,5 GPa. Los cristales crecían a la vez que fluyen desde el centro a los extremos del tubo, y extendiendo la longitud del proceso se produce cristales más grandes. Inicialmente, un proceso de crecimiento de una semana producía piedras de calidad de gema de aproximadamente 5 mm (1 quilate o o,2g), y las condiciones de proceso tenían que ser lo más estables posibles. La alimentación de grafito fue reemplazada pornto por granos de diamante, que permitían un mejor control de la forma del cristal final.^[18]

Las primeras piedras de calidad de gema siempre eran amarillas a marrones en color, debido a la contaminación con nitrógeno. Las inclusiones eran comunes, especialmente de forma aplanada, debidas al níquel. La eliminación de todo el nitrógeno del proceso mediante la adición de aluminio o titanio producía piedras "blancas" incoloras, y la eliminación de nitrógeno y adición de boro producía las azules.^[25] Sin embargo, la eliminación del nitrógeno ralentizaba el proceso de crecimiento, y reducía la calidad cristalina, así que el proceso era ejecutado normalmente con nitrógeno presente.

Aunque las piedras de la GE y los diamantes naturales eran químicamente idénticos, sus propiedades físicas no eran las mismas. Las piedras incoloras producían fuerte fluorescencia y fosforescencia bajo luz ultravioleta de longitud de onda corta, pero eran inertes bajo UV de onda larga. Entre los diamantes naturales, sólo las gemas azules más raras exhibían estas propiedades. A difrencia de los diamantes naturales, todas las piedras de la GE mostraban fluorescencia amarilla bajo los rayos X.^[26] El Diamond Research Laboratory de De Beers ha hecho crecer piedras hasta los 25 quilates, con propósitos de investigación. Se mantuvieron condiciones estables HPHT por 6 semanas para hacer crecer diamantes de alta calidad de este tamaño. Por razones económicas, el crecimiento de la mayoría de diamantes sintéticos es terminado cuando alcanzan una masa de 1 a 1,5 quilates.^[27]

En la década de 1950, empezó una investigación en la Unión Soviética y USA respecto al crecimiento de diamante por pirólisis de gases de hidrocarburos a la temperatura relativamente baja de 800 °C. Este proceso de baja presión es conocido como deposición química de vapor (CVD). William G. Eversole reportó haber conseguido la deposición de vapor de diamante sobre sustrato de diamante en 1953, pero no fue reportado hasta 1962.^[28] La deposición de película de diamante fue reproducida independientemente por Angus y su equipo en 1968^[29] y por Deryagin y Fedoseev en 1970.^[30] Mientras que Eversole y Angus usaron un único cristal de diamantes, grande y caro, como sustratos, Deryagin y Fedoseev tuvieron éxito en hacer películas de diamante sobre materiales distintos al diamante (silicio y metales), que condujo a una investigación masiva en recubrimientos baratos de diamante en la década de 1980^[31]

Referencias

Bibliografía

• A. S. Barnard (2000). The diamond formula: diamond synthesis-a gemological perspective. Butterworth-Heinemann. ISBN 0750642440.
• Michael O'Donoghue (2006). Gems: their sources, descriptions and identification. Butterworth-Heinemann. ISBN 0750658568.
• K. E. Spear and J. P. Dismukes (1994). Synthetic diamond. Wiley-IEEE. ISBN 0471535893.

Enlaces externos

• «High-pressure web server (free-download HPHT literature)».
• J. Davis (2003). «The New Diamond Age» Wired Magazine. n.º 11.09.
• A. Yarnell (2004). «The Many Facets of Man-Made Diamonds» Chemical and Engineering News. Vol. 82. pp. 26–31.
• «Carnegie Institution's Geophysical Laboratory». Consultado el 2009-05-05.
• «Putting the Squeeze on Materials». Consultado el 2009-05-05.