martes, 6 de septiembre de 2016

EL DIAMANTE SINTÉTICO



Los Diamantes sintéticos llamados también como creados en laboratorio, crecidos en laboratorios, fabricados, o cultivados, son cristales de diamantes producidos por un proceso tecnológico, a diferencia de los diamantes naturales, los cuales son producidos por procesos geológicos. 


Ya que en la actualidad pueden ser hechos por un costo menor a la extracción y procesamiento del diamante natural, son utilizados en muchas aplicaciones industriales. 
Además es posible mejorar por ingeniería sus propiedades físicas y eléctricas lo cual da a los diamantes sintéticos el potencial para convertirse en una tecnología muy innovadora en muchas áreas.
Diamantes sintéticos

La idea de hacer diamantes sintéticos para joyería no es nueva. 

Uno de los primeros éxitos en este campo fue reportado por Ferdinand Frédéric Henri Moissan en 1893. 
Utilizó carbón vegetal a más de 4.000º C con hierro en un contenedor de carbono en un horno eléctrico, en el cual el arco eléctrico fue puesto entre varas de carbón dentro de bloques de oxido de calcio. 
El hierro fundido fue rápidamente enfriado por inmersión en agua. 
La contracción generada por el enfriamiento supuestamente debió producir la alta presión requerida para transformar grafito en diamante. 

Otros científicos intentaron duplicar su experimento. 
Sir William Crookes afirmo tener éxito en 1900. 
Ruff afirmó en 1917 haber reproducido diamantes de más de 7mm de diámetro, pero se retracto. 
En 1926, el Dr. Willard Hershey de la Universidad McPherson duplicó el experimento, produciendo un diamante sintético. 
El cual esta expuesto en el Museo McPherson en Kansas. Otros experimentos tuvieron mucha dificultad en crear la presión y temperatura. 
Sir Charles Algernon Parson dedicó 30 años y buena parte de su fortuna para reproducir los experimentos adaptando también sus propios procesos. 

Escribió artículos (de los primeros acerca de diamantes de alta presión/alta temperatura “HPHT”) en los cuales afirmó haber producido pequeños diamantes. 
Sin embargo en 1928 autorizó a C. H Desch a publicar un artículo estableciendo que creía que no se habían producido diamantes sintéticos hasta la fecha. Concluyendo que la mayoría fueron parecidos a la Espinela sintética.

En 1941 un acuerdo fue hecho entre General Electric, Norton y Carborundum para sintetizar diamantes. Lograron calentar carbono a cerca de 3.000º C (5342 ºF) bajo una presión de medio millón psi, por unos pocos segundos. 

La segunda guerra mundial terminó este proyecto que fue reasumido en 1951 por los Laboratorios Schenectady de General Electric, un grupo de diamantes fue formado por F. P. Bundy y H. M Strong. 
Poco después Tracy Hall y otros se unieron. 
El grupo mejoró los yunques diseñados por Percy Bridgman, quien recibió un premio Nóbel por su trabajo en 1946. 

Bundy y Strong hicieron la primera mejoría, otras más fueron realizadas después por Hall. 
El equipo de General Electric uso un yunque de carburo de tungsteno con una prensa hidráulica para apretar la muestra de carbono sostenida en un contenedor de catlinita, la gravilla resultante empezó a exprimirse fuera del contenedor a través de una junta. 
Se cree que en esa ocasión se produjo un diamante, pero este experimento no pudo ser repetido.

Hall consiguió la primera sintetización de diamante comercialmente exitosa el 16 de diciembre de 1954, anunciada el 15 de Febrero de 1955. 


Su avance fue al usar un aparato de presión llamado cinturón, el cual consiguió elevar la presión de 6 a 18 GPa y la temperatura a 5.000º C, usando un contenedor pirofilita, y con el grafito disuelto en níquel, cobalto o hierro derretido con la función de “catalizador solvente”. 

El mayor diamante que produjeron fue de 150 micrómetros, claramente inadecuado para joyería pero muy útil como abrasivo industrial. 
Hall fue capaz de que sus ayudantes replicaran su trabajo y el descubrimiento fue publicado en la revista Nature. Hall fue la primera persona en hacer crecer un diamante sintético de acuerdo a un proceso que se pudiera reproducir y verificar.
Hall dejo General Electric en 1955 y desarrolló una prensa tetraédrica con cuatro yunques, el cual es un aparato independiente para sintetizar diamantes.

Otro éxito en la síntesis de diamantes fue producido el 16 de Febrero de 1953 en Estocolmo, Suecia por el proyecto QUINTUS de ASEA (Allemanna Svenska Elektriska Aktiebolaget), la mayor compañía manufacturadora eléctrica de Suecia usando un voluminoso aparato esférico diseñado por Baltzar von Platen y Anders Kämpe. La presión fue mantenida en el dispositivo a unas 83.000 atmósferas (8.4 GPa) por una hora. 


Unos pocos cristales de diamante fueron producidos. Durante los ochentas un nuevo competidor emergió en Corea del Sur llamado “Iljin Diamond” seguido por cientos de participantes chinos. 
Iljin Diamond supuestamente consiguió información secreta mediante un ex-empleado coreano de General Electric en 1988. 

Los primeros Cristales de diamantes sintéticos de calidad para joyería fueron producidos en 1970 de nuevo por General Electric. 
Los cristales grandes necesitan crecer muy lentamente bajo condiciones estrictamente controladas. 
Los primeros éxitos se consiguieron usando un tubo de pirofilita sembrado con delgadas piezas de diamante y con el grafito puesto en el centro, el solvente metal níquel, fue puesto entre el grafito y las piezas de diamante. 

El contenedor fue calentado y la presión incrementada hasta casi 55.000 atmósferas. 
El cristal crece fluyendo desde el centro al final del tubo, mientras más tiempo dure el proceso, mayor será el tamaño de los cristales (inicialmente una semana) un proceso de crecimiento largo produce diamantes de calidad para piedras preciosas de cerca de 5mm y un quilate. 

El grafito puede ser pronto remplazado por arenilla de diamante, al casi no haber cambio en el volumen del material el proceso es fácil de controlar. 
Los primeros diamantes con calidad de piedra preciosa fueron predominantemente cúbicos y octaédricos, y debido a la contaminación con Nitrógeno, fueron de color amarillo o café. 
Las inclusiones fueron comunes, especialmente placas de níquel.

Al remover todo el Nitrógeno del proceso adicionando Aluminio o Titanio se produjo un diamante blanco, mientras que quitando el Nitrógeno y añadiendo Boro produjo uno azul. 

Sin embargo remover el Nitrógeno ralentiza el proceso de crecimiento y reduce la calidad del cristal, así que el proceso es normalmente hecho con Nitrógeno presente. 

En términos de propiedades físicas, los diamantes de General Electric no fueron idénticos a los diamantes naturales. 
Los diamantes sin color fueron semiconductores, además de fluorescentes y fuertemente fosforescentes bajo una onda corta de radiación ultravioleta pero fueron inertes bajo radiación ultravioleta de onda larga, en la naturaleza solo los diamantes azules pueden hacer esto. 

Todos los diamantes de General Electric también mostraron una fuerte fluorescencia amarilla bajo los rayos X. 
El Laboratorio de Investigación de Diamantes de De Beers ha hecho crecer diamantes arriba de los 11 quilates, pero la mayoría de los diamantes son de alrededor de 1 a 1.5 quilates por razones económicas, especialmente desde los ochentas con la propagación de los aparatos rusos “BARS”. 

Siguiendo el trabajo de las investigaciones de John Angus y Boris Spitsyn en el Instituto Nacional de Investigación de Materiales Inorgánicos en Tsukuba, Japón, que produjo diamantes en menos de una atmósfera y a solo 800º C a través depósitos de vapores químicos (CVD). 

Los japoneses empezaron su investigación en 1974 y reportaron su éxito en 1981. 
Los diamantes con calidad de joyería crecen en un laboratorio, que puede ser químico, físico u óptico idéntico a lo que ocurre naturalmente, si bien pueden ser distinguidos por espectroscopio en longitud de onda infrarroja, ultravioleta, o rayos X. 
El identificador “Diamond View” de DeBeers usa fluorescencia ultravioleta para detectar rastros de impurezas de Níquel u otros metales en diamantes HPHT o Hidrógeno en algunos diamantes LP CVD.

Existen algunas tecnologías para fabricar diamantes sintéticos, entre ellas:

Alta Presión, Alta Temperatura (High Pressure High Temperature “HPHT”)
El método de General Electric es llamado HPHT, Alta Presión, Alta Temperatura. 

Donde hay dos prensas principales utilizadas para suministrar la presión y la temperatura necesaria para producir diamantes sintéticos. 
Estas prensas pueden pesar unas doscientas toneladas y producen una presión de 5 GPa a 1.500º C recreando las condiciones en las que se crean los diamantes naturales dentro de la Tierra. 
Existen dos diseños básicos: la prensa de cinturón y la prensa cúbica. 

La invención original de General Electric por Tracy Hall, utilizó la prensa de cinturón, en donde los yunques superior e inferior proporcionan la carga de presión y calor a un volumen cilíndrico. 

Esta presión interna es confinada radialmente por un cinturón de bandas de acero pre-tensadas. 
Una variación de las prensas cinturón utiliza presión hidráulica para confinar la presión interna bastante más que con los cinturones de acero. 
Las prensas de cinturón aún son utilizadas por los mayores fabricantes en escala mucho mayor que otros diseños.

El segundo tipo de diseño de prensa es la prensa cúbica. Una prensa cúbica tiene 6 yunques que proveen la presión simultáneamente en todas las caras de un volumen con forma de cubo. 

La primer prensa multi yunque diseñada fue una prensa tetraédrica, usando solamente 4 yunques para converger sobre un volumen con forma de tetraedro. 
La prensa cúbica fue creada poco después para incrementar el volumen presurizado. 
Típicamente es más pequeña que una prensa de cinturón y puede conseguir la presión y temperatura necesaria para crear diamantes sintéticos más rápido. 

Sin embargo, la prensa cúbica no puede ser fácilmente escalada para incrementar el volumen. 
Es decir, se puede incrementar el volumen presurizado por cada incremento de tamaño de los yunques, debido a que al incrementar por un gran factor la cantidad de fuerza necesaria en los yunques para adquirir una presurización similar, o por el decrecimiento del la superficie del área en proporción al volumen o del volumen presurizado usando más yunques para converger sobre un sólido platónico diferente, como un dodecaedro, pero esta prensa podría ser innecesariamente compleja y difícil de fabricar.




Esquemas de creación de diamantes por medio HPHT



El (CVD) depósito por valor químico de diamante es un método para hacer crecer diamantes creando el ambiente y las condiciones necesarias para que los átomos de carbono en un gas se posen en un substrato de diamante de forma cristalina. 


Este método de crecimiento de diamantes ha sido el tema de un gran acuerdo de investigación desde principios de los ochentas, especialmente debido a sus aplicaciones potenciales en las herramientas de cortado, semiconductores y para joyería.

Los japoneses que son los pioneros en esta área, pasaron una mezcla de carbono conteniendo gas metano e hidrógeno en un tubo de cuarzo a una presión de 0.05 atmósferas. 

Usando microondas la mezcla fue calentada a 800º C, desasociando al metano y al hidrógeno en sus formas elementales. 

El carbono es depositado en un sustrato, la mayoría es grafito pero una muy pequeña proporción es cristal de diamante. 
El grafito es removido por el hidrógeno dejando una delgada capa de diamante; inicialmente la capa fue de alrededor de 25 nanómetros de espesor. 

Los diamantes nanocristalinos producido a través del crecimiento de diamantes CVD, por ejemplo, puede dar un amplio rango de dureza desde el 30% al 75% de diamantes de cristal único, y la dureza puede ser controlada para ser usada en aplicaciones específicas. Algunos cristales de diamante únicos crecen a través de depósitos por vapor químico, los cuales son más duros que cualquier otro diamante natural conocido.




Esquemas de creación de diamantes por medio CVD 


Detonación explosiva, los nanocristales de diamante pueden ser formados por la detonación de ciertos explosivos, resultando en la formación de nanodiamantes por detonación. 

Estos nanodiamantes están solamente ahora empezando a alcanzar el mercado en cantidades a granel, principalmente desde Rusia y China.

Formación de cavidades por Ultrasonidos, los nanocristales de diamante pueden ser sintetizados desde una suspensión de grafito en un líquido orgánico a presión atmosférica y temperatura ambiente, usando la formación de cavidades por ultrasonidos. El rendimiento es de aproximadamente el 10%. Se estima que el costo de producir nanodiamantes por este método sea competitivo con el proceso HPHT.

Polímero Precerámico, el diamante hexagonal, a diferencia del “cúbico” o “Lonsdaleite, puede ser formado por la descomposición termal del polímero precerámico poli-hidridocarbino, bajo la presión de una atmósfera de Argón y temperaturas sobre los 110º C.

Dada la extraordinaria cantidad de propiedades físicas del diamante, este puede tener una amplia gama impactante en muchos campos:

Los diamantes han sido utilizados en herramientas de maquinaria y de cortado, especialmente para tratar aleaciones no ferrosas. 

Aunque todavía los diamantes naturales se utilizan para esto, la cantidad de diamantes sintéticos es mucho mayor. 

El uso más común de los diamantes en herramientas de cortado es hecho al distribuir granos de diamantes de tamaño micrométrico en una matriz de metal, por lo general de cobalto, endureciéndola y luego pegando partículas metálicas en la herramienta. 

Esto es típicamente referido en la industria como diamante poli-cristalino (PCD). Este tipo de herramientas son a menudo usados en la minería y en la industria de cortado automático de aluminio. 
Las herramientas de diamantes han sido desarrolladas para piedra, construcción, cortado fácil, demolición de estructuras, etc. 
Desde hace algunos años se ha trabajado con la esperanza de usar la técnica de crecimiento de diamantes (CVD) para cubrir las herramientas con diamantes y aunque el trabajo aún es prometedor no ha desplazado todavía a las herramientas PCD




Herramientas que utlizan diamantes sintéticos


Los diamantes CVD también tienen aplicaciones en electrónica. 

El diamante conductivo es un útil electrodo bajo muchas circunstancias. 
El Profesor de química Robert Hamers de la Universidad de Winsconsin-Madison desarrollo métodos fotoquímicos para enlaces covalentes en la superficie del diamante policristalino producido a través de CVD. 

Además, los diamantes pueden detectar reacciones de reducción de oxidación que ordinariamente no se podrían estudiar y en algunos casos degradando los contaminantes del reactivo de reducción de oxidación orgánico en los suministros de agua. 
Debido a que el diamante es casi completamente inerte químicamente y puede ser usado como un electrodo bajo condiciones que destruirían a los materiales tradicionales. 
Para situaciones tales como tratamiento de aguas residuales, también la producción de fuertes oxidantes. Algunas compañías producen electrodos de diamante

Los diamantes muestran ser una potencial promesa para aparatos detectores de radiación. 

Los diamantes tienen una densidad similar al tejido suave, su fuerte radiación y su amplio ancho de banda son empleados en aplicaciones como el detector BABAR en Stanford

Los diamantes también tienen potencial como semiconductores. 

Esto es debido a que los diamantes pueden ser dopados con impurezas como el Boro y el Fósforo. 
Desde que estos elementos contienen un electrón de valencia más o uno menos que el carbono, ellos convierten al diamante en un semiconductor de tipo p o tipo n. 

Los transistores de diamante funcionan a temperaturas que muchas veces el silicón no, y son resistentes a los daños químicos y radioactivos. No hay transistores de diamantes que hayan sido exitosamente integrados en electrónica comercial, pero muestran potencial para uso en situaciones que involucran altísimas cantidades de energía y ambientes hostiles

Los diamantes con crecimiento CVD ha sido usados en conjunción con técnicas litográficas para encerrar microcircuitos dentro de diamantes. 

Los investigadores en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore y la Universidad de Alabama en Birmingham, utilizó este proceso para crear yunques de diamantes diseñados como una nueva prueba para mediciones eléctricas y propiedades magnéticas de los materiales a ultra alta presión usando una Célula de Yunque de Diamantes

Los diamantes HPHT de “tipo IIa” se están aproximando a la muy alta pureza y la estructura perfecta cristalográfica requerida para remplazar al silicón en aplicaciones como tomografías de rayos X, con imágenes de sincrotrón, ellos pueden servir para incrementar sustancialmente la siguiente generación de fuentes de luz.

El Prof. Dean Ho, el Dr. Houjin Huang, y el Dr. Erik Pierstorff de la Universidad del Noroeste, en colaboración con el Dr. Eiji Osawa de el Instituto de Investigación del NanoCarbono en Japón, han demostrado que los nanomateriales pueden hacer un puente directo de las drogas de la quimioterapia a las células sin producir los efectos negativos que hacen las actuales técnicas. 


Grupos de nanodiamantes rodearían los bloques de drogas separándolas de las células sanas, evitando el daño innecesario, y después soltándolas sobre los objetivos. También, los demás diamantes, cientos de miles los cuales podrían ser colocados en el ojo de la aguja de una jeringuilla, sin inducir inflamación en las células una vez hecho su trabajo

Diamantes sintéticos con calidad para ser utilizados en la joyería

La industria de diamantes extraídos de minas esta evaluando contramedidas de marketing y distribución para estas alternativas mucho menos costosas. 


Debido al perfeccionamiento de las técnicas para el crecimiento de los cristales de diamantes los cuales tienen la calidad suficiente para ser utilizados en joyería Los tres grandes distribuidores de diamantes naturales han hecho públicas declaraciones acerca de la venta de sus diamantes y han implementado medidas para inscribir números seriales con láser en sus piedras preciosas.

Fernando Gatto
Kaia Joyas Uruguay

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