Wprowadzenie
Synteza Wysokiego Ciśnienia, Wysokiej Temperatury (HPHT) była pierwszą metodą używaną do produkcji diamentów o jakości jubilerskiej w laboratorium. Zasada jest koncepcyjnie prosta: odtworzyć warunki, w których powstają naturalne diamenty głęboko w Ziemi — ekstremalne ciśnienie i ekstremalną temperaturę — i pozwolić węglowi krystalizować na zarodku diamentowym w kontrolowanym środowisku.
Proces został pierwotnie opracowany dla produkcji diamentów przemysłowych w latach 50. XX wieku. Diamenty HPHT o jakości jubilerskiej stały się komercyjnie opłacalne później, a dziś metoda ta pozwala na produkcję kamieni przekraczających 10 karatów w jakości jubilerskiej. Chiny są dominującym producentem, za nimi plasują się Rosja i Indie.
Ten artykuł wyjaśnia proces wzrostu, zaangażowany sprzęt, wymagane warunki oraz cechy odróżniające diamenty HPHT od kamieni naturalnych i od diamentów hodowanych alternatywną metodą CVD.
Proces wzrostu
Materiały wyjściowe
Komórka wzrostu HPHT zawiera trzy niezbędne elementy:
- Źródło węgla — zazwyczaj grafit o wysokiej czystości
- Katalizator topnika metalowego — stop żelaza, niklu i kobaltu (Fe-Ni-Co), który działa jako rozpuszczalnik węgla w wysokich temperaturach
- Zarodek diamentowy — mały, istniejący już diament, na którym będzie rósł nowy kryształ
Zarodek jest umieszczony na chłodniejszym końcu komórki wzrostu, źródło węgla na gorętszym końcu, a topnik metalowy wypełnia przestrzeń między nimi. Kiedy komórka osiąga warunki pracy, topnik topi się, rozpuszczając węgiel ze źródła grafitu. Ponieważ zarodek znajduje się w nieco niższej temperaturze, węgiel wytrąca się z roztworu topnika i osadza na zarodku — atom po atomie, budując kryształ diamentu.
Warunki
- Ciśnienie: 5–6 gigapaskali (GPa) — około 50 000 do 60 000 razy ciśnienie atmosferyczne. Jest to porównywalne do warunków na głębokości 150–200 km w płaszczu Ziemi.
- Temperatura: 1300–1600 °C — wystarczająca do stopienia topnika metalowego i utrzymania węgla w roztworze.
- Czas wzrostu: Od kilku godzin do kilku tygodni, w zależności od pożądanego rozmiaru i jakości kryształu. Większe, wyższej jakości kryształy wymagają wolniejszego, bardziej starannie kontrolowanego wzrostu.
Konstrukcje pras
W komercyjnej produkcji diamentów HPHT stosuje się trzy konstrukcje pras mechanicznych:
Prasa taśmowa (Belt press). Oryginalna konstrukcja, opracowana przez General Electric w latach 50. XX wieku. Dwa przeciwległe kowadła ściskają komórkę wzrostu, umieszczoną w pasie wstępnie naprężonych stalowych pierścieni. Niezawodna i dobrze poznana, ale ograniczona pod względem utrzymywanych ciśnień i objętości, które może osiągnąć dla dużych kamieni o jakości jubilerskiej.
Prasa sześcienna (Cubic press). Sześć kowadeł rozmieszczonych wzdłuż trzech osi ściska komórkę wzrostu ze wszystkich kierunków jednocześnie. Ta geometria zapewnia bardziej równomierny rozkład ciśnienia niż prasa taśmowa i może produkować większe kryształy. Szeroko stosowana w chińskich zakładach produkcyjnych.
Prasa BARS (split-sphere). Opracowana w Rosji, ta konstrukcja wykorzystuje system kowadeł dzielonej sfery do generowania ciśnienia. Jest wydajna, stosunkowo kompaktowa i zdolna do produkcji wysokiej jakości kryształów jubilerskich. Akronim pochodzi od rosyjskiego skrótu "Barometric Apparatus of Russian Scientists" (Aparat Barometryczny Rosyjskich Naukowców).
Wzrost kryształów i morfologia
Naturalne diamenty rosną przede wszystkim jako kryształy oktaedryczne — klasyczny ośmiościenny kształt, określony przez sześcienny układ krystalograficzny w naturalnych warunkach płaszcza Ziemi. Diamenty hodowane metodą HPHT rozwijają inną habitację: kubooktaedryczną, łączącą ściany sześcianu i oktaedru. Ta różnica w morfologii wzrostu tworzy wyraźne wewnętrzne sektory wzrostu widoczne pod specjalistycznym obrazowaniem.
Sektory wzrostu mają znaczenie, ponieważ wpływają na sposób inkorporacji pierwiastków śladowych. Azot, na przykład, może koncentrować się w niektórych sektorach, a w innych nie, co prowadzi do strefowości barwnej, która jest nieobecna lub inna w diamentach naturalnych. Pod narzędziami do obrazowania fluorescencji UV, takimi jak DiamondView, te wzory sektorowe należą do najbardziej wiarygodnych wskaźników pochodzenia HPHT.
Cechy charakterystyczne
Inkluzje topnika metalowego
Najbardziej charakterystyczną cechą diamentów hodowanych metodą HPHT jest obecność inkluzji topnika metalowego — drobnych cząstek stopu Fe-Ni-Co uwięzionych w krysztale podczas wzrostu. Inkluzje te wydają się ciemne i nieprzezroczyste pod powiększeniem i czasami mogą sprawić, że diament będzie słabo magnetyczny — właściwość praktycznie nigdy niespotykana w diamentach naturalnych.
Nie wszystkie diamenty HPHT zawierają widoczne inkluzje metaliczne. Wzrost wyższej jakości produkuje czystsze kamienie, ale potencjał śladów metalu pozostaje nieodłączny dla metody topnikowej.
Zmiany barw
Barwa diamentu HPHT w stanie surowym zależy przede wszystkim od składu atmosfery w komórce wzrostu:
- Żółty: Azot z powietrza wnika w sieć krystaliczną. Był to najczęstszy kolor we wczesnej produkcji HPHT. Azot tworzy diament typu Ib (izolowane atomy azotu), który jest niezwykle rzadki w naturze.
- Bezbarwny: Osiągnięty poprzez kontrolowanie środowiska wzrostu w celu wykluczenia azotu. Wymaga atmosfery wolnej od azotu i starannego zarządzania procesem.
- Niebieski: Uzyskany przez wprowadzenie boru do środowiska wzrostu, tworząc diament typu IIb.
Obróbki pokładowe mogą dodatkowo modyfikować kolor. Napromieniowanie, a następnie wyżarzanie, może produkować różowe, zielone i inne fantazyjne kolory z materiału wyjściowego HPHT.
Brak naturalnych inkluzji mineralnych
Naturalne diamenty często zawierają inkluzje mineralne — granat, oliwin, piroksen — uwięzione podczas formowania się w płaszczu. Inkluzje te są geologicznymi odciskami palca. Diamenty hodowane metodą HPHT nigdy ich nie zawierają. Brak naturalnych inkluzji mineralnych, w połączeniu z obecnością topnika metalowego, jest silnym wskaźnikiem laboratoryjnego pochodzenia.
Skala i geografia
Chiny dominują w produkcji diamentów HPHT, odpowiadając za większość światowej produkcji. Technologia dojrzała do tego stopnia, że diamenty HPHT o jakości jubilerskiej przekraczające 10 karatów nie są już rzadkością. Rosja (zwłaszcza New Diamond Technology) i Indie są również znaczącymi producentami.
Koszty produkcji spadły wraz z poprawą technologii pras i skalowaniem produkcji. Ta redukcja kosztów jest jednym z czynników napędzających ogólny spadek cen diamentów syntetycznych.
Najczęściej zadawane pytania
Ile czasu zajmuje wyhodowanie diamentu HPHT?
Czas wzrostu waha się od kilku godzin do kilku tygodni, w zależności od rozmiaru i jakości pożądanego kryształu. Większe, o jakości jubilerskiej kamienie wymagają wolniejszego, bardziej starannie kontrolowanego wzrostu.
Czy diamenty HPHT mogą być bezbarwne?
Tak. Wykluczając azot ze środowiska wzrostu, producenci tworzą bezbarwne diamenty HPHT. Wymaga to starannej kontroli atmosfery, ponieważ azot jest najczęstszą zanieczyszczeniem we wzroście diamentów.
Jak odróżnić diament HPHT od naturalnego?
Inkluzje topnika metalowego, kubooktaedryczne wzory sektorów wzrostu (widoczne pod obrazowaniem DiamondView) oraz specyficzne sygnatury spektroskopowe odróżniają diamenty HPHT od kamieni naturalnych. Niektóre diamenty HPHT są również słabo magnetyczne z powodu uwięzionego topnika metalowego. Zobacz Wskaźniki mikroskopowe i Obrazowanie fluorescencyjne.
Jaki jest największy diament HPHT, jaki kiedykolwiek wyprodukowano?
Wyprodukowano diamenty HPHT o jakości jubilerskiej przekraczające 10 karatów, przy czym największe zgłoszone kamienie zbliżają się do 15–20 karatów. Limit rozmiaru wciąż rośnie wraz z ulepszaniem technologii pras.
Podsumowanie
Synteza diamentów HPHT odtwarza warunki płaszcza Ziemi w prasie mechanicznej — rozpuszczając węgiel w stopionym topniku metalowym przy 5–6 GPa i 1300–1600 °C, a następnie pozwalając mu krystalizować na zarodku diamentowym. Proces ten wytwarza prawdziwe diamenty o charakterystycznych cechach: kubooktaedrycznych sektorach wzrostu, potencjalnych inkluzjach topnika metalowego oraz barwie określonej przez skład atmosfery. Trzy konstrukcje pras (taśmowa, sześcienna i BARS) służą do produkcji komercyjnej, przy czym Chiny są dominującym producentem. Metoda jest dojrzała, skalowalna i zdolna do produkcji kamieni o jakości jubilerskiej, które dorównują najlepszym naturalnym diamentom wyglądem — odróżnialnych jedynie po wewnętrznych sygnaturach ich laboratoryjnego pochodzenia.