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Métodos de producción de diamantes cultivados en laboratorio –

Los diamantes naturales se forman en las profundidades de la tierra durante millones de años, mientras que los diamantes sintéticos o cultivados en laboratorio se forman en un laboratorio en unas pocas semanas. Sin embargo, tanto las sustancias naturales como las sintéticas tienen las mismas propiedades. ¿Cómo puede ser esto? Examinemos los métodos de producción de diamantes cultivados en laboratorio para obtener más información.

Un diamante cultivado en laboratorio de 22 quilates. Foto atravesar 2×910. Con permiso CC By-SA 4.0.

Los métodos de producción de diamantes cultivados en laboratorio intentan recrear las condiciones de alta presión y alta temperatura que forman los diamantes naturales subterráneos. Primero examinemos los procesos geológicos naturales.

¿Cómo se forman los diamantes naturales?

Los diamantes naturales se forman en las profundidades del subsuelo, aproximadamente entre 177 y 241 kilómetros bajo la superficie. La presión a esta profundidad puede llegar a casi 50.000 atmósferas. (Una atmósfera, o «atm», que es equivalente a la presión del aire al nivel del mar). Rango de temperatura de 900º a 1.300º C. Estas condiciones intensas comprimen el carbono en su forma más densa, creando diamantes en el magma.Las antiguas erupciones volcánicas trajeron estos diamantes a la superficie, formando lo que se conoce como kimberlita.

Diamantes en kimberlita

Cristales de diamante en matriz de kimberlita, en Museo Field de Historia NaturalChicago. Foto atravesar james san juan. Con permiso CC 2.0.

¿Cuáles son los principales métodos de producción de diamantes cultivados en laboratorio?

Existen dos métodos principales para producir diamantes cultivados en laboratorio: proceso de alta presión/alta temperatura (HPHT) y deposición química de vapor (CVD). Ambos métodos se usan comúnmente, pero CVD se está volviendo más popular en la producción de diamantes sintéticos con calidad de gema para joyería. HPHT se usa más comúnmente en la fabricación de diamantes sintéticos para uso industrial.

¿Puedes notar la diferencia entre un diamante natural y un diamante cultivado en laboratorio?

Tanto HPHT como CVD producen diamantes con las mismas propiedades ópticas, físicas y químicas que los diamantes naturales. Sin embargo, estos procesos de laboratorio dejan señales que los gemólogos pueden identificar mediante una inspección cuidadosa.

En la forma cristalina rugosa, la diferencia es más fácil de discernir. Los diamantes naturales se forman con ocho caras de crecimiento, formando una forma de cristal octaédrico.Por otro lado, la formación de diamantes HPHT cuboctaedro Forma con 14 direcciones de crecimiento. Los diamantes CVD forman formas cúbicas con una dirección de crecimiento. Por supuesto, todos los cristales de diamantes se forman en un sistema isométrico, y todas estas formas pertenecen a este sistema.

Producción de diamantes cultivados en laboratorio: cristales octaédricos cúbicos

Una imagen de primer plano de un cristal de diamante cultivado en laboratorio con una forma cuboctaédrica sintetizado en el Laboratorio de materiales de alta temperatura, Universidad Nacional de Ciencia y Tecnología (MISiS), Moscú. Foto atravesar Luis 14. Con permiso CC By-SA 3.0.

Proceso de alta temperatura y alta presión.

Desarrollado en la década de 1950, HPHT fue el primer método desarrollado para la síntesis de diamantes.

El proceso comienza colocando una cápsula en la prensa que contiene material de partida de carbono, una mezcla de metales llamada fundente metálico y una pequeña semilla de diamante. La materia prima de carbono utilizada en este proceso suele ser grafito, un mineral común compuesto de carbono puro.

Luego, la cápsula se calienta a una temperatura de 1.300º a 1.600º C y se presuriza a una presión de hasta 59.200 atmósferas. Esto disuelve la fuente de carbono en el fundente metálico. La composición de los fundentes metálicos varía, pero generalmente incluye una mezcla de hierro, níquel y cobalto, que ayuda a reducir la temperatura requerida para la formación de diamantes. La fuente de carbono disuelto puede luego cristalizar alrededor de un cristal semilla de diamante mediante una mezcla de metal fundido para formar un diamante cultivado en laboratorio.

El proceso HPHT puede llevar de horas a semanas, según el tamaño y la calidad del cálculo deseado.

imprenta

Hay tres tipos de prensas comúnmente utilizadas en la síntesis de diamantes de alta temperatura y alta presión: de banda, vertical y de bola dividida (también conocidas como BARRAS).

La prensa de banda fue la primera prensa para la producción de diamantes cultivados en laboratorio. Con varios avances y cambios, todavía está en uso hoy en día. Una prensa de banda utiliza dos yunques para aplicar presión a las cápsulas desde arriba y desde abajo.

La prensa de banda condujo al desarrollo de la prensa cúbica. La prensa cúbica funciona como una prensa de banda, pero usa seis yunques para manejar materiales cúbicos más grandes. Aunque las prensas cúbicas pueden aplicar más presión que las prensas de banda, los técnicos no pueden escalar como las prensas de banda. Por lo tanto, las prensas cúbicas no se utilizan con tanta frecuencia como las prensas de banda.

La prensa de bola dividida utiliza ocho yunques exteriores y seis yunques interiores más pequeños para maximizar la presión sobre la cápsula. Luego, las cápsulas cilíndricas se colocan en barriles llenos de aceite para acelerar la transferencia de calor. Esto ayuda a alcanzar temperaturas más altas a un ritmo más rápido.

BARRAS - Prensas divididas

Diagrama esquemático de BARRAS. imagen atravesar Eribero Aribas Abatto. Con permiso CC By-SA 3.0.

tratar

La mayoría de los diamantes HPHT se someten a un tratamiento térmico adicional después de salir de la prensa. Estos tratamientos mejorarán su color y claridad e incluso pueden crear diamantes de colores. Por ejemplo, el tratamiento térmico con boro puede volver azules los diamantes HPHT. El tratamiento térmico con níquel puede volver verdes los diamantes HPHT.

El tratamiento de radiación también puede producir colores rosa y rojo en los diamantes HPHT.

proceso de deposición de vapor químico

El proceso de CVD comienza llenando la cámara con una mezcla de gases, incluidos carbono, hidrógeno y oxígeno. A continuación, se agrega un sustrato a la cámara, generalmente un cristal semilla de diamante alargado, pero también se puede usar grafito. Luego, la cámara se calienta a una temperatura de 800º a 900º C utilizando microondas, láser o filamentos calientes. La energía de la fuente de calor hace que el carbono se precipite fuera de la mezcla de gases y se adhiera al sustrato, que comienza a cristalizarse en diamante.

Los técnicos deben detener con frecuencia el proceso de CVD para poder eliminar cualquier grafito que cristalice alrededor del diamante.

CVD puede tomar días o incluso semanas, dependiendo del tamaño y la calidad de la gema deseada. Sin embargo, se pueden cultivar docenas de piedras al mismo tiempo.

Métodos de producción de diamantes cultivados en laboratorio - CVD

Máquinas CVD en Diamond Labs Centro de Nanotecnología de Londres. Foto atravesar O. Arthur (MAPAS UCL). Con permiso CC 3.0.

tratar

La mayoría de los diamantes CVD salen de la cámara en color marrón o amarillo. Para ser vendidos como diamantes blancos o incoloros, estas piedras deben ser tratadas térmicamente. Una vez formados, los diamantes CVD también se pueden tratar para producir un fino color rosa o rojo.

Agregar boro o nitrógeno a la cámara durante la formación también puede producir colores azules o amarillos elegantes en los diamantes CVD.

Los diamantes de colores creados en laboratorio, ya sean producidos por HPHT o CVD, son significativamente menos costosos que los diamantes naturales.

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