Diamenty labolatoryjne metody produkcji, historia i teraźniejszość

Wprowadzenie

Diamenty laboratoryjne, często nazywane syntetycznymi, zdobywają coraz więcej uwagi na rynku jubilerskim. Dzięki zaawansowanym procesom technologicznym możliwe jest odtworzenie warunków panujących pod ziemią, takich jak wysokie ciśnienie i temperatura, co pozwala na produkcję diamentów w kontrolowanych warunkach. Są one identyczne chemicznie i fizycznie z diamentami naturalnymi, ponieważ są zbudowane wyłącznie z atomów węgla. Zrozumienie, jak powstają te niezwykłe kamienie, wymaga przyjrzenia się zarówno ich historii, jak i współczesnym metodom produkcji. Diamenty laboratoryjne stają się nie tylko atrakcyjną alternatywą dla diamentów naturalnych, ale także elementem nowoczesnej biżuterii, który warto poznać bliżej.

Historia diamentów syntetycznych

Pierwsze odkrycia

Historia diamentów syntetycznych sięga końca XVIII wieku, kiedy to angielski chemik Smithson Tennant stwierdził, że diament składa się głównie z węgla. To odkrycie stanowiło istotny punkt wyjścia do prób stworzenia diamentów w laboratorium. W 1849 roku Cesar Despretez za pomocą łuku elektrycznego pomiędzy prętem węglowym a drutami platynowymi wytworzył małe kryształy, które, choć mikroskopijne, były w stanie zarysować korund. Te wcześniejsze eksperymenty stanowiły fundament dla przyszłych działań mających na celu odtworzenie naturalnych warunków krystalizacji diamentów.

Kluczowe osiągnięcia w XX wieku

W XX wieku nastąpił znaczący postęp w produkcji diamentów syntetycznych. W 1952 roku Williams Eversole z Union Carbide zastosował metodę osadzania chemicznego z fazy gazowej (CVD) do stworzenia niewielkich diamentów. Choć nie były one jeszcze rentowne, to stanowiły ważny krok naprzód. Kluczowym momentem było odkrycie metody wysokiego ciśnienia i wysokiej temperatury (HPHT) przez szwedzki koncern Asea w 1953 roku oraz sukces General Electric w 1954 roku, kiedy to Tarcy Hall wyprodukowała diamenty o masie 1000 części karata. General Electric oficjalnie ogłosiła ten przełom w 1955 roku, co sprawiło, że są uznawane za pionierów komercyjnej produkcji diamentów syntetycznych.

Rozwój technologiczny w XXI wieku

W XXI wieku diamenty laboratoryjne stały się bardziej dostępne na rynku konsumenckim. W 1970 roku GE rozpoczęło ograniczoną produkcję jubilerskich diamentów hodowanych w laboratorium. W 1982 roku Sumitomo Electric Industries w Japonii z sukcesem stworzyło żółty kryształ ważący 1,20 karata metodą HPHT. Przełom w technologii CVD w 1992 roku otworzył nowe zastosowania dla diamentów syntetycznych, początkowo głównie w przemyśle i lotnictwie. 

Od 2005 roku Instytut Gemmologiczny IGI zaczął certyfikować diamenty laboratoryjne według tych samych kryteriów co diamenty naturalne, co przyczyniło się do wzrostu akceptacji i pewności konsumenckiej w ich zakupie.

Metody produkcji diamentów laboratoryjnych

Przyjrzyjmy się dwóm głównym metodom produkcji diamentów laboratoryjnych HPHT i CVD.

Proces wysokiego ciśnienia i wysokiej temperatury (HPHT)

Metoda HPHT polega na odtworzeniu warunków, w których naturalne diamenty powstają głęboko pod powierzchnią ziemi. Proces ten wymaga użycia wysokiego ciśnienia oraz wysokich temperatur. Hodowla diamentu metoda HPHT odbywa się w kapsule i aparacie zdolnym do wytwarzania bardzo wysokich ciśnień. Diament zarodkowy (którym jest ziarno diamentu naturalnego lub wyhodowanego w laboratorium, proszek węglowy i katalizator metalowy zazwyczaj żelazo, nikiel lub kobalt) jest umieszczany w prasie mechanicznej przypominającej kapsułę. Kapsuła otoczona dopasowanymi kowadełkami umieszczona jest wewnątrz aparatury ciśnieniowej z elementami grzejnymi. Pod wpływem temperatury i ciśnienia katalizator topi się, tworząc topnik stopionego metalu, który rozpuszcza proszek. Następuje połączenie wysokiej temperatury i ciśnienia, które powodują migracje stopionego węgla do ziaren diamentu, gdzie zachodzi proces krystalizacji. O krystalizacji i powstawaniu diamentów piszemy szczegółowo w artykule Jak powstają diamenty. W procesie HPHT wymagane są ekstremalne temperatury i ciśnienie: 1300-1600 stopni Celsjusza i ciśnienie 50-70 kilo barów. 

Na tym etapie należy wspomnieć, że proces HPHT jest również wykorzystywany do poprawy barwy istniejących diamentów. O metodach poprawiania diamentów piszemy w innym artykule poświęconym Diamentom poprawianym.   

Diamenty HPHT znajdują szerokie zastosowanie.

W przemyśle są wykorzystywane jako narzędzia tnące, wiertła i materiały ścierne ze względu na ich wyjątkową twardość.

W przemyśle jubilerskim diamenty HPHT wykorzystywane są jako kamienie szlachetne w pierścionkach zaręczynowych, kolczykach, naszyjnikach i innych elementach biżuterii.

Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD)

Metoda CVD wykorzystuje zaawansowane technologie, aby wytworzyć diamenty poprzez osadzanie węgla z fazy gazowej. Jest to inne podejście, gdyż odbywa się w komorze próżniowej bez użycia wysokiego ciśnienia. Proces rozpoczyna się od umieszczenia diamentu zarodkowego, którym jest ziarno diamentu naturalnego lub hodowanego w laboratorium w reaktorze plazmowym. Następnie wtryskuje się wodór i gaz węglowodorowy (tradycyjnie metan) i podgrzewa przy użyciu mikrofal do temperatury kilku tysięcy stopni. Cząsteczki gazu rozpadają się, a atomy węgla osadzają się na zarodku i krystalizują, rosną pionowo, warstwa po warstwie.

Efekty to pojedyncze kryształy diamentów CVD, które mają przeważnie kształt płyt, a czasami na krawędziach można zobaczyć małe ściany ośmiościanu i rombowe ściany dwunastościanu.

Kolor wczesnych diamentów CVD był przeważnie ciemnobrązowy lub jasnobrązowy. Całkiem  niedawno odkryte diamenty CVD okazały się bezbarwne lub prawie bezbarwne po obróbce cieplnej w wysokiej temperaturze na późniejszym etapie. W diamentach CVD występuje niewiele wewnętrznych inkluzji, a w niektórych przypadkach można zobaczyć igłowate, czarne, nieregularne inkluzje.

Proces CVD ma przewagę w Porównaniu z HPHT, ponieważ wzrost zachodzi na podłożu i uzyskuje się dzięki temu coraz większe średnice kamieni. 

Szerokie zastosowanie diamentów laboratoryjnych CVD:

1. w przemyśle jubilerskim - produkcja biżuterii,

2. w przemyśle oraz produkcji narzędzi.

Porównanie metod HPHT i CVD

Obie metody HPHT i CVD mają swoje unikalne cechy i zastosowania. HPHT naśladuje naturalne warunki krystalizacji diamentów, co pozwala na uzyskanie kamieni o wysokiej czystości i zbliżonej trwałości. Z kolei CVD umożliwia bardziej kontrolowaną produkcję diamentów o specyficznych właściwościach, takich jak rozmiar i kolor. Różnice te sprawiają, że obie technologie są szeroko wykorzystywane w różnych gałęziach przemysłu, a także w jubilerstwie.

Najbardziej wyrafinowani producenci HPHT i CVD są obecnie w stanie wyprodukować surowiec diamentowy w bardzo wysokiej jakości, natychmiast gotowy do cięcia i szlifowania.

W miarę jak technologia produkcji diamentów laboratoryjnych ulega dalszym udoskonaleniom, ich popularność rośnie, oferując konsumentom produkty o wyjątkowych walorach estetycznych i niższych kosztach w porównaniu do diamentów wydobywanych z natury.

Identyfikacja

Nadrzędnym celem naszego bloga jest dostarczanie wiedzy służącej naszym klientom i czytelnikom. Tak więc kilka słów o identyfikacji diamentów produkowanych metodami CVD i HPHT. 

Z perspektywy nabywcy diamentu, konsumenta nie ma bardziej wiarygodnej metody zakupu jak zakup diamentu od profesjonalnego sprzedawcy z odpowiednim certyfikatem wystawionym przez renomowany Instytut jak IGI, GIA. 

Pochodzenie diamentu powinno być oznaczone za pomocą laserowego napisu na rondyście. Każdy diament wyhodowany w laboratorium większy niż melee, ma wpisany przedrostek LG przed numerem. Taki diament posiada certyfikat, zawsze jest koloru żółtego. Za pomocą numeru z rondysty można sprawdzić w bazie IGI, parametry tego kamienia.

Zastosowanie diamentów laboratoryjnych

Diamenty laboratoryjne, będące fenomenem współczesnej technologii, znalazły swoje miejsce w wielu dziedzinach przemysłu oraz w biżuterii, stając się alternatywą dla diamentów naturalnych. Jeden z kluczowych sektorów, w którym z powodzeniem stosuje się diamenty hodowane w laboratorium, to branża jubilerska. Coraz częściej można spotkać piękne pierścionki zaręczynowe, bransoletki czy naszyjniki, których ozdobą są właśnie te diamenty. Dzięki zachowaniu identycznych właściwości chemicznych, fizycznych i optycznych jak w przypadku diamentów naturalnych, zapewniają one wyjątkowy blask i trwałość, co czyni je idealnym wyborem dla tych, którzy pragną luksusu w przystępnej cenie.

Diamenty laboratoryjne znalazły również zastosowanie w przemyśle technologicznym. Dzięki swojej twardości i odporności na ścieranie, są wykorzystywane do produkcji narzędzi tnących oraz jako wytrzymałe powierzchnie do maszyn przemysłowych. Ich właściwości termiczne i przewodnictwo elektryczne są nieocenione w produkcji urządzeń elektronicznych, takich jak półprzewodniki czy radiatory w układach chłodzenia.

Co więcej, diamenty te odgrywają istotną rolę w dziedzinach naukowych i medycynie. W technologii medycznej stosuje się je w laserach chirurgicznych oraz do produkcji precyzyjnych narzędzi. Dzięki swojej czystości chemicznej i biokompatybilności, diamenty laboratoryjne są idealne do zastosowań, gdzie sterylność i minimalna reaktywność są niezbędne.

Różnice między diamentami laboratoryjnymi a symulantami

Choć diamenty laboratoryjne często mylone są z diamentami symulowanymi, istnieją między nimi istotne różnice, które warto znać, zwłaszcza przy zakupie biżuterii czy ocenie wartości kamieni. Diamenty laboratoryjne to prawdziwe diamenty, które zostały stworzone w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. Pod względem chemicznym i fizycznym są identyczne z diamentami naturalnymi, co oznacza, że składają się z czystego węgla ułożonego w strukturę krystaliczną diamentu.

Z kolei stymulanty diamentów, takie jak cyrkonia sześcienna czy moissanit, mają zupełnie inny skład chemiczny. Stymulanty te są tworzone z takich materiałów jak szkło czy cyrkonia sześcienna i nie mogą się pochwalić tym samym poziomem twardości i trwałości, co prawdziwe diamenty. Choć na pierwszy rzut oka mogą wyglądać podobnie, różnice widać w ich właściwościach optycznych, takich jak błysk czy załamanie światła. Diamenty hodowane w laboratorium zachowują swój blask i wytrzymałość przez lata, podczas gdy stymulanty mogą być bardziej podatne na zarysowania i zużycie.

Podkreślenie tych różnic jest szczególnie ważne podczas zakupu biżuterii. Choć symulanty diamentów mogą być atrakcyjne cenowo, ich trwałość i wartość rynkowa są znacznie niższe niż w przypadku diamentów laboratoryjnych. Kupując diamenty, warto zawsze zwracać uwagę na certyfikaty poświadczające ich pochodzenie i jakość, aby zapewnić sobie pełną satysfakcję z zakupu i uniknąć przyszłych rozczarowań. Dzięki temu możemy być pewni, że wybieramy odpowiednie kamienie, które będą cieszyć nasze oczy przez długie lata.

Podsumowanie

Diamenty laboratoryjne przeszły długą drogę od pierwszych eksperymentów z XVIII wieku, aż do współczesnych metod produkcji CVD i HPHT. Te kamienie szlachetne nie różnią się chemicznie ani fizycznie od swoich naturalnych odpowiedników, co czyni je doskonałą alternatywą dla diamentów naturalnych. Ich produkcja, choć skomplikowana, umożliwia tworzenie kamieni o takich samych właściwościach optycznych, fizycznych i chemicznych, co diamenty naturalne wydobywane z ziemi.

Nowoczesne techniki, takie jak metoda chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD) oraz metoda wysokiego ciśnienia i wysokiej temperatury (HPHT), pozwalają na precyzyjne kontrolowanie procesu wzrostu diamentów. Dzięki temu możliwe jest tworzenie diamentów o różnych rozmiarach, kolorach i cechach, dostosowanych do indywidualnych potrzeb rynku jubilerskiego. Dbanie o certyfikację to kluczowy krok, zapewniający, że zakupione kamienie są odpowiednio oznakowane i pochodzą z zaufanych źródeł.

Rozwój technologii i wzrastająca świadomość ekologiczna zwiększają atrakcyjność diamentów laboratoryjnych, które pojawiają się coraz częściej w biżuterii konsumenckiej. Ten trend może tylko się umacniać wraz z dalszymi postępami technologicznymi i społeczną akceptacją nowych, bardziej zrównoważonych metod produkcji kamieni szlachetnych.