Szintetikus kövek A gyémántgép - Tudás - Tagesspiegel Mobil
A freiburgi kutatók tömegesen termelik a hibátlan gyémántokat - elsősorban azért, hogy alternatívát teremtsenek a szilícium számára a félvezetőiparban. De a megfelelő fényezés a plazma reaktorból származó növényeket is ékszerekké változtathatja.
A gép, amely egy napon ringathatja a gyémántvilágot, gigantikus ezüsttojásként trónolva ül egy pincelaboratóriumban Freiburg északi részén. "Obelix" készen áll a következő váltásra. A Fraunhofer Alkalmazott Szilárdtestfizikai Intézet (IAF) nyolc plazma-reaktorából a legnagyobb csaknem két méter magasra emelkedik. Egy gombnyomásra Nicola Lang mérnök meggyújtotta a plazmát a hidrogén és metán gázokból Obelix hasában. A mikrohullámú sütő alumínium házában lévő rácson keresztül megfigyelheti, hogyan izzik a zöld-kékes gázfelhő.
Pontosan itt zajlik a varázslat: rétegenként, egy színtelen üvegnek tűnő anyag órákon belül növekszik a tárgylemezen. De ez egy hibátlan, egykristályos gyémánt. Tiszta szén a szuperkompakt rácsszerkezetében. Ha fényezed, utánozhatatlanul csillogni kezd.
"Szintetikus gyémántjaink kémiailag és fizikailag megegyeznek a nyers gyémántokkal, amelyeket fáradságosan bányásznak" - mondja Nicola Lang. Az Obelix is hatékony, a freiburgi ezüstkolosszust tömegtermelésre tervezték. Lang és csapata nemrégiben rekordot döntött a géppel: „Sikerült egyszerre 600 hibátlan egykristályos gyémántot termesztenünk. Ez tíz napon belül 0,3 karát per gyémánt. ”Az így termesztett kövek ugyanolyan nagyok, mint a szögletes konfetti. De lenyűgözően tiszta és olyan tulajdonságuk van, amely vonzó lehet az ékszerészek számára. Ez jövedelmező piac lenne. Tavaly világszerte több mint 70 milliárd eurót költöttek gyémánt ékszerekre.
Az egykristályos gyémánt drága egzotikus termék az ipar számára
Christoph Nebel integet. "Az ékszer gyémántok a kutatás egyik szép oldalát jelentik" - mondja az IAF félvezető érzékelő részlegének vezetője. Az 59 éves gyémánt lenyűgöző anyag. "A gyémánt nagyon könnyű, hűtés nélkül is képes ellenállni a magas hőmérsékletnek és sugárzási nehéz" - mondja. Ha a szénatom rács további elemekkel van ellátva, akkor a gyémánt kiváló elektronikus tulajdonságokkal is rendelkezik. Ezért fényes jövővel rendelkező félvezető anyagnak tekintik. A freiburgi gyémántokat különösen az erőelektronikában kell felhasználni, például a műholdas kommunikáció alkatrészeiben és a nagy energiájú lézerek lencséiben.
Csak egyetlen hibája van: "Eddig az egykristályos gyémánt nagyon drága egzotikus maradt az iparban." Nebel és csapata ezen változtatni akar. Évek óta a Fraunhofer kutatói azon dolgoznak, hogy a ritka kincsből származó gyémántokat tömegtermékké alakítsák. Vékony szeletekre szeretné felhordani az anyagot. Az ilyen ostyák, amelyekből aztán alkatrészeket gyártanak, a legfőbb alapformátum a félvezetőiparban. "Egy négy vagy hat hüvelykes gyémánt ostya lenne az áttörés" - mondja Nebel. A gyémánt a szilícium és az irídium alternatívájaként.
Körülbelül 60 éve a kutatóknak sikerült gyémántokat gyártaniuk a laboratóriumban. 1954-ben az amerikai General Electric vállalat bemutatta a világnak az első szintetikus gyémántjait, amelyeket nagynyomású, magas hőmérsékletű eljárással (HPHT) állítottak elő. Utánozza azokat a körülményeket, amelyek a kristályok véletlenszerű képződésében vannak a földköpeny mélyén. A grafitot - a ceruza-ólomokban található szén formáját - egy fémtartályba csomagolják, egy katalizátorral, például vasalóval vagy nikkeldel és egy rajzgyémánttal együtt. A kapszulát hidraulikus présgépben 1500 Celsius fokon nyomják, amelynek nyomása a föld felszínén mért légnyomás 50 000-szeresének felel meg. Körülbelül egy hétig nagy nyomáson a grafit szénatomjai tetraéderes módon egyesülve gyémántot képeznek. Apró kristályok képződnek, amelyek gyakran zárványokkal és nitrogénnel szennyezettek, ezért sárgásan csillognak.
Az ultratiszta gyémánt szinte magától nő
Az ilyen gyémántport főleg fúrási, köszörülési és vágási szerszámokban használják. A morzsa nem jó az ékszeripar számára. Az elmúlt 15 évben azonban egyes vállalatoknak sikerült finomítaniuk a komplex folyamatot, hogy több karátos súlyú, színtelen vagy színes köveket tudjanak termeszteni. A „New Diamond Technologies” társaság a közelmúltban tíz karátos vágott szintetikus gyémántot mutatott be. A rekordcsökkenés áprilisban nőtt azon 50 óriás gyémántprés egyikében, amelyet a vállalat Szentpéterváron egy gyárban üzemeltet. De az energiaköltségek olyan hatalmasak, hogy megkérdőjelezik az ilyen üzleti modellek jövedelmezőségét.
A gyémántgyártók ezért egyre inkább támaszkodnak egy második gyártási módszerre, a bevonási technológiára, amelyet a Fraunhofer csapata is kutat: a kémiai gőzleválasztást (CVD). Gyémánt szubsztrátumot helyezünk mikrohullámú sütőbe, és metánnyomokból és nagy mennyiségű hidrogénből álló gázelegyet pumpálunk bele. A mikrohullámok forró plazma golyót hoznak létre, a metán hidrogénatomot veszít. A fennmaradó szénatomot tartalmazó molekula a plazmafelhőről leereszkedik a szubsztrátumra, és gyémántszerűen lerakódik. Néha grafit is képződik a gyémánt mellett. Az agresszív molekuláris hidrogén marja el. Az ultratiszta gyémánt rétegenként, körülbelül mikrométer/óra, szinte önmagában megnő.
A Fraunhofer kutatói 20 éve tökéletesítik CVD-folyamatukat. Ennek egyik kulcsa a reaktor szabadalmaztatott ellipszoid alakja. Lehetővé teszi nagy térfogatú plazma előállítását a földön, és ezáltal a gyémánt lerakódását nagy területen - mondja Nebel. Az ékszerekhez alkalmas egykristályok termesztéséhez az aljzatnak már monokristályos gyémántból kell állnia. A kutatók ilyen szubsztrátumokat kapnak kilenc négyzetmilliméteres lemez formájában a kereskedelmi gyártóktól. Ez egyszeri vásárlás, mivel minden ciklus után lézerrel választhatja el az aljzatokat a megnövekedett kövektől, és felhasználhatja azokat újra.
A molekuláris szakácsok színt hoznak játékba
"A tényleges gyémánt, amelyet termesztenek, olcsó" - mondja Nebel. Mivel a metán és a hidrogén olcsó ipari gáz. Az energiaforrás, egy 10 kilowattos mikrohullámú rendszer a legfontosabb költségmeghajtó. "Két milliméter vastag 0,3 karátos réteg előállítása körülbelül 70-100 euróba kerül" - számítja ki. Az ékszer vásárlók is profitálhatnak az olcsó gyártásból. A "Pure Grown Diamonds" cég, amely saját készítésű CVD ékszereket forgalmaz az Egyesült Államokban, vágott köveiket akár 40 százalékkal eladja a természetes kövek ára alatt.
A szintetikus kövek nemcsak tisztaságukban haladják meg a durva gyémántokat. A molekuláris szakácsok színt játszhatnak: "Ha bórt adunk a gázkeverékhez, az elem beépül a növekvõ kristályrácsba, és a gyémánt elkékül" - mondja Nebel. A sárga kövek nitrogénnel képződnek. A pirosakkal bonyolultabb. Az ilyen díszes színek népszerűek az ékszeriparban, mert a vevők magas árat fizetnek értük.