Como são feitos os diamantes cultivados em laboratório: métodos HPHT e CVD

Introdução

Os diamantes cultivados em laboratório são uma alternativa moderna aos diamantes extraídos de minas. Eles têm a mesma composição química que os diamantes naturais. Eles são cultivados em condições controladas. Explicaremos os dois principais processos que criam os diamantes cultivados em laboratório.

O que são diamantes cultivados em laboratório?

Os diamantes de laboratório são cristais cultivados em laboratório e não na terra. Eles são feitos de carbono puro. Eles possuem a ligação sp³ e a estrutura cristalina cúbica compartilhada pelos diamantes naturais. Eles são quimicamente iguais. São essencialmente iguais em termos de brilho e dureza na maioria dos casos.

As principais vantagens desses diamantes são a aquisição ética, pois não há mineração. O efeito ambiental é insignificante, e os custos são mais baratos do que os dos diamantes extraídos. Eles oferecem um bom controle de qualidade sobre o produto final. É por esse motivo que eles são preferidos tanto em joias quanto em aplicações industriais.

Visão geral das técnicas de crescimento de diamantes

A história da síntese de diamantes é tão antiga quanto a década de 1950, quando foram realizados experimentos iniciais para determinar se os diamantes poderiam ser formados fora da natureza. A era atual conta com dois processos estabelecidos.

O primeiro método é o processo de alta pressão e alta temperatura. Ele imita o processo natural nas profundezas da Terra, onde os diamantes são formados em um período de milhões de anos. O segundo método é a Deposição Química de Vapor. Ele constrói o diamante átomo por átomo e oferece controle preciso sobre o processo de crescimento.

Ambos os processos foram aprimorados com o tempo. Ambos têm suas condições e equipamentos. Ambos podem ser utilizados para diferentes aplicações. Vamos conhecer os recursos e os benefícios de ambos os processos.

O método de alta pressão e alta temperatura

Princípio do crescimento em alta pressão e alta temperatura

O processo se baseia no fato de que a formação do diamante inclui condições muito rigorosas. Ele utiliza pressões que variam de 5 a 6 gigapascal. A temperatura é mantida próxima de 1500 a 1600°C. Essas condições facilitam a transformação do grafite em diamante. A transformação é apoiada por essas condições extremas. Esse processo se assemelha ao processo da natureza, mas em um período de tempo muito curto.

Equipamento e configuração

Há necessidade de equipamentos especiais para esse processo. Os sistemas de prensa variam. São comuns os sistemas de prensa cúbica, prensa de correia e prensa de esfera dividida (ou prensa BARS). A alta pressão e a temperatura podem ser gerenciadas nessas máquinas, que proporcionam um sistema controlado para o processo de crescimento.

Etapas do processo

O método começa com uma pequena semente de diamante. Uma fonte de carbono é adicionada e submetida a condições extremas. Um catalisador de metal fundido, ferro, níquel ou cobalto, é introduzido. O catalisador ajuda os átomos de carbono a se organizarem em um formato de diamante. O crescimento é muito lento. O cristal de diamante se desenvolve a partir da semente ao longo do tempo. O processo pode levar horas ou até dias, dependendo do tamanho e da qualidade.

Características típicas

Os diamantes formados nesse processo podem apresentar uma fraca coloração amarelada. A causa dessa coloração amarelada é a introdução de nitrogênio durante o crescimento. Eles também apresentam padrões de inclusão distintos e zonas de crescimento visíveis. Podem ser produzidos diamantes de grau industrial e de grau gemológico. A maioria dos usos desses diamantes na indústria se deve ao fato de que suas características físicas são adequadas para operações como corte, perfuração e retificação.

O processo de deposição química de vapor

Princípio do crescimento por deposição química de vapor

O processo de Deposição Química de Vapor é único. Ele começa com uma mistura de gases de hidrocarbonetos, como hidrogênio e metano. Um plasma de carbono é produzido em uma fase gasosa dentro de uma câmara de vácuo. Os átomos caem em um substrato e constroem o diamante camada por camada. Esse processo proporciona aos cientistas maior controle sobre a pureza e a estrutura do diamante resultante.

Etapas do processo

Nesse método, a primeira etapa envolve a preparação de um substrato limpo. Normalmente, o substrato contém uma semente de diamante minúscula. Em seguida, o processo é realizado em uma câmara de vácuo. Um plasma de micro-ondas ou filamento quente é usado para a dissociação do gás hidrocarboneto. Os átomos de carbono são emitidos e depois se depositam no substrato. A taxa de crescimento, a temperatura da câmara e as proporções de gases são cuidadosamente controladas. Esse empilhamento preciso facilita a formação de camadas altamente uniformes de diamantes, frequentemente contendo menos inclusões metálicas.

Qualidade do diamante resultante

O método de Deposição Química de Vapor provavelmente produzirá diamantes muito puros. Eles são, em sua maioria, incolores e são chamados de diamantes Tipo IIa. Esses diamantes têm estruturas internas muito uniformes. O método produz, em sua maioria, menos defeitos em comparação com o método de alta pressão e alta temperatura. Como são muito transparentes e têm propriedades controladas, são ideais para joias de alta qualidade. Os semicondutores também utilizam esses diamantes de qualidade em diversas aplicações.

Conclusão

Os diamantes de laboratório são o resultado de tecnologia avançada e décadas de pesquisa. O método de alta pressão e alta temperatura reproduz a natureza. Ele usa pressão e calor intensos com um catalisador para converter grafite em diamante. O método de Deposição Química de Vapor constrói o diamante átomo por átomo em um laboratório. Ambos os métodos têm seus prós e contras. Para obter mais informações, consulte a Stanford Advanced Materials (SAM).

Perguntas frequentes

P: Qual é a maior diferença entre os diamantes naturais e os diamantes cultivados em laboratório?

R: Os diamantes cultivados em laboratório são produzidos em laboratórios, enquanto os diamantes naturais são formados no solo.

P: Por que alguém escolheria o processo de alta pressão e alta temperatura?

R: Porque é uma simulação muito próxima dos métodos naturais e cria diamantes com formação exclusiva.

P: Como o processo Chemical Vapor Deposition garante diamantes de qualidade?

R: Ele constrói os diamantes átomo por átomo sob controle rigoroso para um crescimento uniforme.