Syntetické kamene Diamantový stroj - Znalosti - Tagesspiegel Mobil
Vedci z Freiburgu hromadne pestujú bezchybné diamanty - predovšetkým preto, aby vytvorili alternatívu k kremíku pre polovodičový priemysel. Ale správny leštiaci prostriedok môže tiež zmeniť rastliny z plazmového reaktora na klenoty.
Stroj, ktorý jedného dňa dokáže rozkývať diamantový svet, sedí na tróne ako gigantické strieborné vajce v pivničnom laboratóriu na severe Freiburgu. "Obelix" je pripravený na ďalšiu zmenu. Najväčší z ôsmich plazmových reaktorov vo Fraunhoferovom inštitúte pre aplikovanú fyziku pevných látok (IAF) stúpa takmer o dva metre. Stlačením tlačidla inžinier Nicola Lang zapálil plazmu z plynov vodíka a metánu v bruchu Obelixa. Prostredníctvom vyhliadkovej mriežky v hliníkovom plášti mikrovlnnej rúry môže pozorovať, ako žiari zeleno-modrastý oblak plynu.
Presne na tomto mieste sa deje mágia: Vrstva po vrstve, materiál, ktorý vyzerá ako bezfarebné sklo, vyrastie na snímke v priebehu niekoľkých hodín. Ale je to bezchybný monokryštálový diamant. Čistý uhlík v jeho super kompaktnej mriežkovej štruktúre. Keď ho vyleštíte, začne sa nenapodobiteľným spôsobom lesknúť.
„Naše syntetické diamanty sú chemicky a fyzikálne identické s neopracovanými diamantmi, ktoré sa pracne ťažia,“ hovorí Nicola Lang. Obelix je tiež efektívny, strieborný kolos z Freiburgu je určený na hromadnú výrobu. Lang a jej tím nedávno dosiahli so strojom rekord: „Podarilo sa nám vypestovať 600 bezchybných monokryštálových diamantov súčasne. To je 0,3 karátu na diamant do 10 dní. “Takto vypestované kamene sú rovnako veľké ako hranaté konfety. Ale sú pôsobivo čisté a majú kvalitu, ktorá by mohla byť pre klenotníkov atraktívna. To by bol lukratívny trh. Minulý rok sa na diamantové šperky po celom svete minulo viac ako 70 miliárd eur.
Monokrystalický diamant je drahý exotický predmet pre priemysel
Christoph Nebel to zamáva. „Šperkové diamanty sú príjemnou vedľajšou stránkou nášho výskumu,“ hovorí vedúci oddelenia polovodičových senzorov na IAF. Pre 59-ročný diamant je fascinujúci materiál. „Diamant je veľmi ľahký, vydrží bez chladenia vysoké teploty a je odolný voči radiácii,“ hovorí. Ak je mriežka atómu uhlíka vybavená ďalšími prvkami, diamant má tiež vynikajúce elektronické vlastnosti. Považuje sa preto za polovodičový materiál so svetlou budúcnosťou. Freiburské diamanty sa majú používať najmä v výkonovej elektronike, napríklad v komponentoch pre satelitnú komunikáciu a v šošovkách pre vysokoenergetické lasery.
Má iba jednu chybu: „Doteraz monokryštálový diamant zostal v priemysle veľmi drahou exotikou.“ Nebel a jeho tím to chcú zmeniť. Vedci spoločnosti Fraunhofer už roky pracujú na premene diamantov zo vzácneho pokladu na masovo vyrábaný produkt. Chcete naniesť materiál na tenké plátky. Takéto doštičky, z ktorých sa potom vyrábajú komponenty, sú základným formátom v polovodičovom priemysle. "Štvor alebo šesťpalcová diamantová oblátka by bola prielom," hovorí Nebel. Diamant ako alternatíva k kremíku a irídiu.
Už asi 60 rokov sa vedcom darí vyrábať diamanty v laboratóriu. V roku 1954 predstavila americká spoločnosť General Electric svetu svoje prvé syntetické diamanty vyrobené pomocou vysokotlakového a vysokoteplotného procesu (HPHT). Napodobňuje podmienky, ktoré existujú pri náhodnom vytváraní kryštálov hlboko v zemskom plášti. Grafit - forma uhlíka, ktorý sa nachádza v tuhoch na tužky - je zabalený v kovovej nádobe spolu s katalyzátorom, ako je železo alebo nikel, a rysovacím diamantom. Kapsula je stlačená v hydraulickom lise pri 1 500 stupňoch Celzia s tlakmi, ktoré zodpovedajú 50 000-násobku tlaku vzduchu na zemskom povrchu. Asi po týždni pod vysokým tlakom sa vrstvy uhlíkových atómov v grafite spoja štvorbokým spôsobom a vytvoria diamant. Vznikajú drobné kryštály, ktoré sú často kontaminované inklúziami a dusíkom, a preto majú žltkastý lesk.
Ultra-čistý diamant rastie takmer sám
Takýto diamantový prášok sa používa hlavne v nástrojoch na vŕtanie, brúsenie a rezanie. Drobky nie sú dobré pre klenotnícky priemysel. Za posledných 15 rokov sa však niektorým spoločnostiam podarilo zdokonaliť zložitý proces, aby mohli pestovať bezfarebné alebo farebné kamene s hmotnosťou niekoľkých karátov. Spoločnosť „New Diamond Technologies“ nedávno predstavila brúsený syntetický diamant s desiatimi karátmi. Rekordný clunker rástol v apríli v jednom z 50 obrovských diamantových lisov, ktoré spoločnosť prevádzkuje v továrni v Petrohrade. Ale náklady na energiu sú také obrovské, že spochybňujú ziskovosť takýchto obchodných modelov.
Výrobcovia diamantov sa preto čoraz viac spoliehajú na druhú výrobnú metódu, technológiu povrchovej úpravy, ktorú skúma aj tím spoločnosti Fraunhofer: chemické nanášanie pár (CVD). Diamantový substrát sa vloží do mikrovlnnej rúry a načerpá sa do neho plynová zmes pozostávajúca zo stôp metánu a veľkého množstva vodíka. Mikrovlny vytvárajú horúcu plazmatickú guľu, pričom metán stráca atóm vodíka. Zvyšná molekula s atómom uhlíka prší z plazmového mraku na substrát a ukladá sa ako diamant. Niekedy sa okrem diamantov vytvára aj grafit. Je odleptaný agresívnym molekulárnym vodíkom. Ultra-čistý diamant po vrstve, približne mikrometroch za hodinu, rastie takmer sám.
Vedci spoločnosti Fraunhofer zdokonaľujú svoj proces CVD už 20 rokov. Jedným z kľúčov k tomu je patentovaný elipsoidný tvar reaktora. Umožňuje generovať veľkoobjemovú plazmu na zemi a ukladať tak diamant na veľkú plochu, hovorí Nebel. Na pestovanie monokryštálov vhodných pre šperky musí substrát už pozostávať z monokryštalického diamantu. Vedci získavajú takéto substráty vo forme deviatich milimetrových platní od komerčných výrobcov. Jedná sa o jednorazový nákup, pretože po každom cykle môžete pomocou laseru oddeliť substráty od kameňov, ktoré vyrástli, a znova ich použiť.
Molekulárni kuchári vnášajú do hry farbu
„Skutočný vypestovaný diamant je lacný,“ hovorí Nebel. Pretože metán a vodík sú lacné priemyselné plyny. Zdroj energie, mikrovlnný systém s výkonom 10 kilowattov, je najdôležitejšou položkou znižujúcou náklady. „Výroba dvoch milimetrov hrubej vrstvy 0,3 karátu stojí okolo 70 až 100 eur,“ počíta. Nákupcovia šperkov môžu ťažiť aj z lacnej výroby. Spoločnosť „Pure Grown Diamonds“, ktorá predáva v USA vlastnoručne vyrobené šperky CVD, predáva svoje brúsené kamene až o 40 percent nižšie ako ceny prírodných kameňov.
Syntetické kamene prekonávajú surové diamanty nielen svojou čistotou. Molekulárni kuchári môžu do hry vniesť farbu: „Ak do zmesi plynov pridáme bór, prvok sa zakomponuje do rastúcej kryštalickej mriežky a diamant sa zmení na modrú,“ hovorí Nebel. Žlté kamene sú tvorené dusíkom. S červenými je to komplikovanejšie. Takéto luxusné farby sú v klenotníckom priemysle populárne, pretože kupujúci za ne platia vysoké ceny.