Pietre sintetice Mașina cu diamante - Cunoaștere - Tagesspiegel Mobil
Cercetătorii de la Freiburg cultivă în masă diamante impecabile - în primul rând pentru a crea o alternativă la siliciu pentru industria semiconductoarelor. Dar lustruirea potrivită ar putea transforma plantele din reactorul cu plasmă în bijuterii.
Mașina, care ar putea într-o bună zi să zdruncine lumea diamantelor, stă întronată ca un ou gigantic de argint într-un laborator de pivniță din nordul orașului Freiburg. „Obelix” este gata pentru următoarea schimbare. Cel mai mare dintre cele opt reactoare cu plasmă de la Institutul Fraunhofer pentru fizică aplicată în stare solidă (IAF) se ridică cu aproape doi metri. La o simplă apăsare de buton, inginerul Nicola Lang a aprins o plasmă din gazele hidrogen și metan din burta lui Obelix. Printr-o rețea de vizualizare în carcasa de aluminiu a cuptorului cu microunde, ea poate observa cum străluceste norul de gaz verde-albăstrui.
Exact aici se întâmplă magia: strat cu strat, un material care arată ca o sticlă incoloră care crește pe un tobogan în câteva ore. Dar este un diamant impecabil, monocristal. Carbon pur în structura sa superioară compactă. Când îl lustruiți, începe să sclipească într-un mod inimitabil.
„Diamantele noastre sintetice sunt identice din punct de vedere chimic și fizic cu diamantele brute, care sunt extrase din greu”, spune Nicola Lang. Obelix este, de asemenea, eficient, colosul de argint de la Freiburg este conceput pentru producția de masă. Lang și echipa ei au stabilit recent un record cu mașina: „Am reușit să creștem 600 de diamante monocristale impecabile în același timp. Adică 0,3 carate pe diamant în decurs de zece zile. ”Pietrele crescute în acest fel sunt la fel de mari ca confetti unghiulare. Dar sunt impresionant de pure și au o calitate care ar putea fi atractivă pentru bijutieri. Ar fi o piață profitabilă. Peste 70 de miliarde de euro s-au cheltuit anul trecut pentru bijuterii cu diamante la nivel mondial.
Diamantul monocristal este un articol exotic scump pentru industrie
Christoph Nebel îl îndepărtează. "Diamantele bijuteriilor sunt un aspect secundar frumos al cercetării noastre", spune șeful departamentului de senzori semiconductori de la IAF. Pentru diamantul de 59 de ani este un material fascinant. "Diamantul este foarte ușor, poate rezista la temperaturi ridicate fără răcire și este rezistent la radiații", spune el. Dacă rețeaua atomului de carbon este echipată cu elemente suplimentare, diamantul are și proprietăți electronice excelente. Prin urmare, este considerat un material semiconductor cu un viitor luminos. Diamantele de la Freiburg trebuie utilizate în special în electronica de putere, de exemplu în componente pentru comunicații prin satelit și în lentile pentru lasere de mare energie.
Are doar un defect: „Până acum, diamantul monocristal a rămas un exotic foarte scump în industrie.” Nebel și echipa sa vor să schimbe acest lucru. De ani de zile, cercetătorii Fraunhofer lucrează la transformarea diamantelor dintr-o comoară rară într-un produs produs în serie. Doriți să aplicați materialul pe felii subțiri. Astfel de napolitane, din care sunt fabricate apoi componentele, sunt formatul de bază suprem în industria semiconductoarelor. „O napolitane cu diamante de patru sau șase inch ar fi progresul”, spune Nebel. Diamantul ca alternativă la siliciu și iridiu.
De aproximativ 60 de ani, cercetătorii au reușit să producă diamante în laborator. În 1954, compania americană General Electric a prezentat lumii primele sale diamante sintetice, produse folosind procesul de înaltă presiune și temperatură înaltă (HPHT). Imită condițiile care există în formarea accidentală a cristalelor adânci în mantaua Pământului. Grafitul - forma carbonului care se găsește în firele de creion - este ambalat într-un recipient metalic împreună cu un catalizator, cum ar fi fierul sau nichelul și un diamant de desen. Capsula este presată într-o presă hidraulică la 1.500 grade Celsius cu presiuni care corespund de 50.000 de ori mai mult decât presiunea aerului de pe suprafața pământului. După aproximativ o săptămână sub presiune ridicată, atomii de carbon aranjați în straturi în grafit se combină tetraedric pentru a forma diamant. Se formează mici cristale, care sunt adesea contaminate cu incluziuni și azot și, prin urmare, au o strălucire gălbuie.
Diamantul ultra-pur crește aproape singur
O astfel de pulbere de diamant este utilizată în principal în unelte pentru găurire, șlefuire și tăiere. Firimitările nu sunt bune pentru industria bijuteriilor. Cu toate acestea, în ultimii 15 ani, unele companii au reușit să rafineze procesul complex, astfel încât să poată crește pietre incolore sau colorate care cântăresc câteva carate. Recent, compania „New Diamond Technologies” a prezentat un diamant sintetic tăiat de zece carate. Clunkerul record a crescut în aprilie într-una dintre cele 50 de prese gigantice cu diamante pe care compania le operează într-o fabrică din Sankt Petersburg. Dar costurile energiei sunt atât de mari încât pun sub semnul întrebării profitabilitatea unor astfel de modele de afaceri.
Prin urmare, producătorii de diamante se bazează tot mai mult pe o a doua metodă de producție, tehnologia de acoperire pe care o cercetează și echipa Fraunhofer: depunerea chimică a vaporilor (CVD). Un substrat de diamant este plasat într-un cuptor cu microunde și un amestec de gaze constând din urme de metan și cantități abundente de hidrogen este pompat în el. Microundele creează o bilă de plasmă fierbinte, metanul pierzând un atom de hidrogen. Molecula rămasă cu un atom de carbon plouă practic din norul de plasmă pe substrat și se depune ca un diamant. Uneori se formează și grafit pe lângă diamant. Este gravat de hidrogenul molecular agresiv. Strat cu strat, aproximativ un micrometru pe oră, diamantul ultra-pur crește aproape singur.
Cercetătorii Fraunhofer își perfecționează procesul de BCV de 20 de ani. Una dintre cheile acestui lucru este forma elipsoidală patentată de reactor. Aceasta face posibilă generarea unei plasme cu volum mare pe sol și astfel depunerea diamantului pe o suprafață mare, spune Nebel. Pentru a crește monocristale potrivite pentru bijuterii, substratul trebuie să fie deja format din diamant monocristalin. Cercetătorii obțin astfel de substraturi sub formă de plăci de nouă milimetri pătrați de la producători comerciali. Aceasta este o achiziție unică, deoarece după fiecare ciclu puteți utiliza un laser pentru a separa substraturile de pietrele care au crescut și a le refolosi.
Bucătarii moleculari pun în joc culoarea
„Diamantul real care este cultivat este ieftin”, spune Nebel. Deoarece metanul și hidrogenul sunt gaze industriale ieftine. Sursa de energie, un sistem cu microunde de 10 kilowati, este cel mai important factor de cost. „Un strat gros de doi milimetri gros de 0,3 carate costă aproximativ 70 până la 100 de euro pentru fabricare”, calculează el. Cumpărătorii de bijuterii pot beneficia și de o producție ieftină. Compania „Pure Grown Diamonds”, care comercializează bijuterii auto-fabricate din CVD în SUA, își vinde pietrele tăiate cu până la 40% sub prețurile pietrelor naturale.
Pietrele sintetice depășesc diamantele brute nu numai prin puritatea lor. Bucătarii moleculari pot aduce în joc culoarea: „Dacă adăugăm bor la amestecul de gaze, elementul este încorporat în rețeaua de cristal în creștere și diamantul devine albastru”, spune Nebel. Pietrele galbene se formează cu azot. Este mai complicat cu cele roșii. Astfel de culori fanteziste sunt populare în industria bijuteriilor, deoarece cumpărătorii plătesc prețuri ridicate pentru ele.