Синтетички камења Дијамантската машина - Знаење - Tagesspiegel Mobil
Истражувачите од Фрајбург масовно одгледуваат беспрекорни дијаманти - првенствено за да создадат алтернатива на силициумот за индустријата за полупроводници. Но, вистинскиот лак исто така може да ги претвори растенијата од плазматскиот реактор во накит.
Машината, која еден ден би можела да го тресе дијамантскиот свет, седи устоличена како огромно сребрено јајце во лабараторија во визба на северот од Фрајбург. „Обеликс“ е подготвен за следната смена. Најголемиот од осумте плазматски реактори на Институтот за применета физика на цврста состојба во Фраунхофер се издига речиси два метра. Само со едно копче, инженерот Никола Ланг запали плазма од гасовите водород и метан во стомакот на Обеликс. Преку мрежа за гледање во алуминиумската обвивка на микробрановата печка, таа може да набудува како блеска зелено-синкавиот гасен облак.
Токму тука се случува магијата: слој по слој, материјал што изгледа како безбојно стакло расте на слајд за неколку часа. Но, тоа е беспрекорен, единствен кристален дијамант. Чист јаглерод во својата супер компактна структура на решетката. Кога ќе го полирате, почнува да искра на неповторлив начин.
„Нашите синтетички дијаманти се хемиски и физички идентични со грубите дијаманти кои макотрпно се вадат“, вели Никола Ланг. Обеликс е исто така ефикасен, сребрениот колос од Фрајбург е дизајниран за масовно производство. Ланг и нејзиниот тим неодамна поставија рекорд со машината: „Успеавме да одгледуваме 600 беспрекорни единечни кристални дијаманти истовремено. Тоа е 0,3 карат за дијамант во рок од десет дена. “Камењата што пораснале на овој начин се исто толку големи колку и аголните конфети. Но, тие се импресивно чисти и имаат квалитет што може да биде привлечен за златарите. Тоа би бил профитабилен пазар. Повеќе од 70 милијарди евра се потрошени за дијамантски накит ширум светот минатата година.
Единствениот кристален дијамант е скапа егзотична ставка за индустријата
Кристоф Небел го одмавнува. „Дијамантите за накит се убав страничен аспект на нашето истражување“, вели раководителот на одделот за сензори за полупроводници во IAF. За 59-годишниот дијамант е фасцинантен материјал. „Дијамантот е многу лесен, може да издржи високи температури без ладење и е тврд во радијација“, вели тој. Ако решетката за јаглероден атом е опремена со дополнителни елементи, дијамантот има и одлични електронски својства. Затоа се смета за полупроводнички материјал со светла иднина. Дијамантите од Фрајбург треба да се користат особено во електрониката за напојување, на пример во компоненти за сателитска комуникација и во леќи за високоенергетски ласери.
Има само една мана: „Досега, еднокристалниот дијамант остана многу скап егзотик во индустријата.“ Небел и неговиот тим сакаат да го променат тоа. Со години, истражувачите на Фраунхофер работеа на претворање на дијаманти од ретко богатство во масовно произведен производ. Сакате да го нанесете материјалот на тенки парчиња. Таквите нафора, од кои потоа се произведуваат компоненти, се крајниот основен формат во индустријата за полупроводници. „Четири или шест инчи дијамантска нафора би бил успехот“, вели Небел. Дијамантот како алтернатива на силициум и иридиум.
Околу 60 години, истражувачите успеале да произведат дијаманти во лабораторија. Во 1954 година, американската компанија Electricенерал електрик го претстави светот со своите први синтетички дијаманти, произведени со употреба на процес на висок притисок и висока температура (HPHT). Ги имитира условите што постојат при случајно формирање на кристали длабоко во мантијата на земјата. Графитот - форма на јаглерод кој се наоѓа во наводниците за моливи - е спакуван во метален контејнер заедно со катализатор, како што се железо или никел и дијамантски цртеж. Капсулата се притиска во хидраулична преса на 1.500 степени Целзиусови со притисок што одговара на 50.000 пати поголем од воздушниот притисок на површината на земјата. По околу една недела под висок притисок, слоевите на јаглеродни атоми во графит се комбинираат на тетраедрален начин и формираат дијамант. Се формираат ситни кристали, кои често се загадени со подмножества и азот и затоа имаат жолтеникаво треперење.
Ултра-чист дијамант расте скоро само по себе
Таквиот дијамантски прав главно се користи во алатки за дупчење, мелење и сечење. Трошките не се добри за индустријата за накит. Сепак, во последните 15 години некои компании успеаја да го рафинираат сложениот процес за да можат да растат безбојни или обоени камења со тежина од неколку карати. Неодамна компанијата „New Diamond Technologies“ претстави исечен синтетички дијамант од десет карати. Рекордниот клинкер порасна во април во една од 50-те гигантски преса за дијаманти со кои компанијата работи во фабрика во Санкт Петербург. Но, трошоците за енергија се толку огромни што ја доведуваат во прашање профитабилноста на ваквите деловни модели.
Производителите на дијаманти сè повеќе се потпираат на вториот метод на производство, технологијата на обложување што тимот на Фраунхофер исто така ја истражува: таложење на хемиска пареа (CVD). Дијамантска подлога се става во микробранова печка и во неа се пумпа мешавина на гас која се состои од траги на метан и обилни количини на водород. Микробрановите создаваат топла плазма топка, а метанот губи атом на водород. Останатата молекула со јаглероден атом врне дожд од плазматскиот облак врз подлогата и се таложи како дијамант. Понекогаш се формира и графит покрај дијамант. Го гравира агресивниот молекуларен водород. Слој по слој, околу микрометар на час, ултра-чистиот дијамант расте скоро сам по себе.
Истражувачите на Фраунхофер го усовршуваа својот CVD процес веќе 20 години. Еден од клучевите за ова е патентираната елипсоидна форма на реакторот. Овозможува да се генерира плазма со голем волумен на земјата и со тоа да се депонира дијамант на голема површина, вели Небел. За да се одгледуваат единечни кристали погодни за накит, подлогата веќе мора да се состои од монокристален дијамант. Истражувачите добиваат такви подлоги во форма на девет квадратни милиметарски плочи од комерцијални производители. Ова е еднократно купување, бидејќи по секој циклус можете да користите ласер за да ги одделите подлогите од камењата што пораснале и повторно да ги користите.
Молекуларните готвачи ја внесуваат бојата во игра
„Вистинскиот дијамант што се одгледува е ефтин“, вели Небел. Бидејќи метанот и водородот се ефтини индустриски гасови. Изворот на енергија, микробранова печка од 10 киловати, е најважниот двигател на трошоците. „Два милиметарски дебел слој од 0,3 карати чини околу 70 до 100 евра за производство“, пресметува тој. Купувачите на накит исто така можат да имаат корист од ефтиното производство. Компанијата „Pure Grown Diamonds“, која продава само-изработени CVD накит во САД, ги продава своите исечени камења до 40 проценти под цените за природните камења.
Синтетичките камења ги надминуваат грубите дијаманти не само по нивната чистота. Молекуларните готвачи можат да ја внесат бојата во игра: „Ако додадеме бор во мешавината на гас, елементот се вметнува во растечката кристална решетка и дијамантот станува сина“, вели Небел. Yellowолтите камења се формираат со азот. Покомплицирано е со црвените. Ваквите фенси бои се популарни во индустријата за накит, бидејќи купувачите плаќаат високи цени за нив.