Cómo se fabrican los diamantes cultivados en laboratorio: métodos HPHT frente a CVD

Introducción

Los diamantes cultivados en laboratorio son una alternativa moderna a los diamantes extraídos. Tienen la misma composición química que los diamantes naturales. Se cultivan en condiciones controladas. Explicaremos los dos procesos principales que crean los diamantes cultivados en laboratorio.

¿Qué son los diamantes cultivados en laboratorio?

Losdiamantes de laboratorio son cristales que se cultivan en el laboratorio y no en la tierra. Están formados por carbono puro. Poseen el enlace sp³ y la estructura cristalina cúbica que comparten los diamantes naturales. Químicamente son iguales. Son esencialmente iguales en brillo y dureza en la mayoría de los casos.

Las principales ventajas de estos diamantes son su obtención ética, ya que no se extraen. El efecto medioambiental es insignificante y los costes son más baratos que los de los diamantes extraídos. Ofrecen un buen control de calidad sobre lo que será el producto final. Por este motivo, se prefieren tanto en joyería como en aplicaciones industriales.

Visión general de las técnicas de crecimiento del diamante

La historia de la síntesis de diamantes se remonta a los años 50. Se realizaron experimentos iniciales para determinar si los diamantes podían formarse fuera de la naturaleza. La era actual cuenta con dos procesos establecidos.

El primer método es el proceso de alta presión y alta temperatura. Imita el proceso natural en las profundidades de la Tierra, donde los diamantes se forman a lo largo de millones de años. El segundo método es la deposición química de vapor. Construye el diamante átomo a átomo y ofrece un control preciso del proceso de crecimiento.

Ambos procesos han mejorado con el tiempo. Ambos tienen sus condiciones y engranajes. Ambos pueden utilizarse para distintas aplicaciones. Conozcamos las características y ventajas de ambos procesos.

El método de alta presión y alta temperatura

Principio del crecimiento a alta presión y alta temperatura

El proceso se basa en el hecho de que la formación del diamante incluye condiciones muy estrictas. Utiliza presiones que oscilan entre 5 y 6 gigapascales. La temperatura se mantiene entre 1500 y 1600°C. Estas condiciones facilitan la transformación del grafito en diamante. Estas condiciones extremas favorecen la transformación. Este proceso se asemeja al de la naturaleza, pero en un periodo de tiempo muy corto.

Equipamiento y configuración

En este proceso se necesita un equipo especial. Los sistemas de prensa varían. Son comunes los sistemas de prensa cúbica, prensa de cinta y prensa de esfera dividida (o prensa BARS). Estas máquinas permiten controlar la presión y la temperatura y proporcionan un sistema controlado para el proceso de crecimiento.

Etapas del proceso

El método comienza con una pequeña semilla de diamante. Se añade una fuente de carbono y se somete a condiciones extremas. Se introduce un catalizador metálico fundido, hierro, níquel o cobalto. El catalizador ayuda a los átomos de carbono a organizarse en forma de diamante. El crecimiento es muy lento. Con el tiempo, el cristal de diamante se va formando a partir de la semilla. El proceso puede durar horas o incluso días, dependiendo del tamaño y la calidad.

Características típicas

Los diamantes formados en este proceso pueden mostrar un débil tinte amarillento. La causa de este tono amarillento es la introducción de nitrógeno durante el crecimiento. También presentan patrones de inclusión definidos y zonas de crecimiento visibles. Pueden producirse tanto diamantes de calidad industrial como de calidad gema. La mayoría de los usos de estos diamantes en la industria se deben a que sus características físicas son adecuadas para operaciones como el corte, la perforación y la molienda.

El proceso de deposición química de vapor

Principio del crecimiento por deposición química de vapor

El proceso de deposición química de vapor es único. Se inicia a partir de una mezcla de gases hidrocarburos como el hidrógeno y el metano. Se produce un plasma de carbono en fase gaseosa dentro de una cámara de vacío. Los átomos caen sobre un sustrato y construyen el diamante capa a capa. Este proceso proporciona a los científicos un mayor control sobre la pureza y la estructura del diamante resultante.

Pasos del proceso

En este método, el primer paso consiste en la preparación de un sustrato limpio. El sustrato suele contener una diminuta semilla de diamante. A continuación, el proceso tiene lugar en una cámara de vacío. Se utiliza un plasma de microondas o un filamento caliente para la disociación del gas hidrocarburo. Los átomos de carbono se emiten y se depositan sobre el sustrato. La velocidad de crecimiento, la temperatura de la cámara y las proporciones de los gases se controlan cuidadosamente. Este apilamiento preciso facilita la formación de capas de diamantes altamente uniformes, que a menudo contienen inclusiones menos metálicas.

Calidad del diamante resultante

Con el método de deposición química de vapor se obtienen diamantes muy puros. En su mayoría son incoloros y se denominan diamantes de Tipo IIa. Estos diamantes tienen estructuras internas muy uniformes. Este método produce menos defectos que el método de alta presión y alta temperatura. Como son muy transparentes y tienen propiedades controladas, son ideales para la joyería de alta calidad. Los semiconductores utilizan estos diamantes de la calidad en usos numerosos también.

Conclusión

Los diamantes de laboratorio son el resultado de una tecnología avanzada y de décadas de investigación. El método de alta presión y alta temperatura reproduce la naturaleza. Utiliza presión y calor intensos con un catalizador para convertir el grafito en diamante. El método de Deposición Química de Vapor construye el diamante átomo por átomo en un laboratorio. Ambos métodos tienen sus pros y sus contras. Para más información, consulte Stanford Advanced Materials (SAM).

Preguntas más frecuentes

P: ¿Cuál es la mayor diferencia entre los diamantes naturales y los diamantes cultivados en laboratorio?

R: Los diamantes cultivados en laboratorio se producen en laboratorios, mientras que los diamantes naturales se forman en la tierra.

P: ¿Por qué alguien elegiría el proceso de alta presión y alta temperatura?

R: Porque es una simulación muy cercana a los métodos naturales y crea diamantes que tienen una forma única.

P: ¿Cómo garantiza la calidad de los diamantes el proceso de deposición química de vapor?

R: Crea diamantes átomo a átomo bajo un estricto control para un crecimiento uniforme.