Je možné vyrobit diamant?

Geologické procesy, které způsobují krystalizaci molekul uhlíku do třpytivých a tvrdých diamantů, zahrnují vysokou teplotu a velký tlak. Tyto podmínky vznikají v důsledku tektonické a vulkanické činnosti v útrobách země, kdy magmatické masy vybuchují na povrch. Navzdory skutečnosti, že zásoby diamantů na Zemi jsou považovány za významné, většina z nich leží ve velkých hloubkách, nepřístupných moderním metodám těžby. Jelikož se kameny používají nejen ve šperkařství, ale také v průmyslu, začali vědci přirozeně laboratorně studovat možnosti výroby surových diamantů. Podívejme se na hlavní body otázky: jak se vyrábějí umělé diamanty a leštěné diamanty?

Co je syntetický diamant

Ne každý má rád výraz „syntetický“ ve vztahu k diamantům. Považuje se za přesnější a blíže k podstatě – „laboratoř vytvořená“. Kromě toho zmínka o „syntetické“ povaze dává potenciálním kupcům negativní asociace se syntetikou jako levnějším a méně kvalitním analogem, zatímco syntéza drahých kamenů v laboratoři umožňuje získat kameny s vlastnostmi přesahujícími přírodní ekvivalent.

Syntetický diamant, také známý jako HPHT diamant, CVD diamant nebo nanostony, v závislosti na technologii výroby. Jedná se o autentický kámen, který se skládá z čistých uhlíkových molekul, s trojrozměrným izotropním tvarem krystalové mřížky.

Umělý diamant může mít monokrystalickou strukturu (jeden velký krystal) nebo polykrystalickou formu (skládá se z hmoty malých krystalů spojených dohromady). První typ syntetizovaných kamenů je žádaný pro klenotnický průmysl a výrobu složitých vysoce přesných zařízení. Polykrystaly se průmyslově používají k výrobě nástrojů. Pokud jde o čistotu a tvrdost, syntetizované diamanty mohou dokonce překonat přírodní vzorky.

Syntetické diamanty lze získat odstínem:

• bezbarvý (bez nečistot);
• modrá (přítomnost boru);
• žlutá (struktura obsahuje dusík).

Také vystavením kamenů radioaktivnímu záření se získají krystaly zelené a červené barvy. Z barevných jsou cenově nejdostupnější žluté kameny, dražší jsou bezbarvé syntetické diamanty.

Co je syntetický diamant

Kameny získané v laboratorních podmínkách jsou zpočátku stejně neatraktivní jako přírodní diamanty. Aby krystaly získaly atraktivní vzhled připomínající šperky, jsou broušeny. Výsledkem je syntetický diamant – laboratorně vyráběný broušený diamant.

Takové diamanty dokonale lámou světlo, třpytí se a je poměrně těžké je odlišit od jejich přirozeného „protějšku“. Jedním ze znaků toho, že máte před sebou syntetizovaný kámen, je jeho bezchybnost (žádné vady, inkluze, perfektní barva). Diamanty extrahované z kimberlitové trubky mají často vměstky, nečistoty a praskliny.

Náklady na umělý diamant budou o něco levnější než jeho přírodní protějšek, ale výrazně vyšší než u náhradních kamenů.

Někteří výrobci dokonce „označují“ své výtvory laserovým leptáním diamantu se sériovým číslem a „LG“ nebo jeho ekvivalentem, což znamená „vypěstované v laboratoři“.

Kde se uplatňují

Umělé diamanty a leštěné diamanty mají široké využití. Až 90 % umělých diamantů jde pro potřeby vědeckých laboratoří a průmyslu. Mezi výrobci se dokonce traduje přísloví: „Pokud není diamant dobrý k ničemu jinému, vyrobte z něj diamant. Díky své vysoké průhlednosti a charakteristikám rozptylu světla se používají nejen ve šperkařství, ale také při výrobě vysoce přesných elektronických zařízení. Kameny nižší kvality se používají k výrobě řezných a brusných nástrojů, pro optické přístroje a také jako vodiče tepla.

2-3% tržního sektoru šperkařských diamantů představují syntetické kameny. Získávají se procesem HPHT a procesem CVD. Dnes je proces získávání monokrystalu diamantu drahý, proto bude možné po zlevnění technologie zvýšit procento uměle vypěstovaných kamenů pro klenotníky bez ztráty kvality.

Postupně umělé diamanty nahrazují selenid zinku, který se používá jako únikové okno v gyrotronových a CO instalacích₂ lasery a další vysoce výkonné zdroje záření. Díky své vysoké tepelné vodivosti a nízkému koeficientu lineární roztažnosti diamantová okna dokonale odstraňují mikrovlnné a infračervené záření.

Diamant má mezi materiály s vysokou tepelnou vodivostí nízkou schopnost vést elektrický proud. Tato vlastnost z něj činí nepostradatelný materiál pro odvod tepla ve výkonových tranzistorech nebo výkonových laserových diodách. Použití diamantů v systému odvodu tepla je odůvodněno skutečností, že oprava nebo výměna elektronických zařízení bude stát mnohem více. Syntetické diamanty se používají jako tepelné rozptylovače, aby se zabránilo přehřátí polovodičů, jako je křemík.

Výroba průmyslového nářadí

Díky tvrdosti diamantů jsou syntetické kameny oblíbené při výrobě leštících past, brusiv a supertvrdých řezných nástrojů.

Vzhledem k tomu, že diamant má maximální tvrdost, jeho povlak se používá k výrobě brusných kotoučů, vrtáků a šneků schopných zpracovat jakýkoli materiál. Zejména nástroje pro řezání diamantů v těžebních závodech jsou také potaženy diamantem.

Je pozoruhodné, že syntetické kameny jsou vhodnější než přírodní, protože jsou obecně jednotnější ve svých vlastnostech.

Většinou diamantový povlak zahrnuje zahrnutí diamantových zrn do kovové matrice na bázi kobaltu. Během provozu se kov opotřebovává a diamanty umístěné ve hmotě se postupně obnažují a nahrazují použitý povlak.

Existuje technologie povlakování nástroje diamantovou vrstvou na principu procesu CVD, ale tento přístup zatím nemůže nahradit kovovou matrici polykrystalickými diamantovými zrny.

Jediným omezením pro použití diamantových nástrojů je vysokorychlostní zpracování oceli. V místě řezu je dosaženo kriticky vysoké teploty, což vede k rozpuštění uhlíku v železe. Z tohoto důvodu se nástroj rychle opotřebovává. Tento přístup se ukazuje jako nerentabilní.

Průmyslová výroba umělých diamantů a leštěných diamantů k dnešnímu dni ještě nedosáhla úrovně, kdy by mohly plně konkurovat trhu s přírodními kameny. Technologická základna potřebuje zlepšení. Mezi společnostmi těžícími diamanty a výrobci syntetických kamenů však již začaly reklamní a marketingové bitvy.

Výrobní technologie

V laboratorním prostředí se syntetické diamanty vyrábějí fyzikálními nebo chemickými procesy. Ke krystalizaci molekul uhlíku do diamantové mřížky dochází pod vlivem několika faktorů, které musí být uměle vytvořeny. Zvláštností výroby diamantů je zachování vysoce kvalitního prostředí, které nedovoluje cizí nečistoty v komoře syntézy. V opačném případě se vlastnosti kamene ve srovnání s referenčními vzorky sníží.

Teplota a tlak, nebo technologie HPHT

Zkratka znamená „High Pressure High Temperature“ a samotná metoda napodobuje procesy tvorby přírodního diamantu. Uhlíkový polotovar je umístěn v kapsli s kovovými katalyzátory – kobaltem, železem a niklem. Tato kapsle-buňka je poté zahřívána a stlačována mnohatunovými lisy, aby se simuloval tlak v útrobách země během uvolňování magmatických hmot.

Tato metoda vyžaduje zařízení schopné generovat vysokoteplotní teplo a vysoký tlak. Tato metoda je však poměrně levná, proto se používá k vytváření diamantového prachu a průmyslových diamantů. Jedinou nevýhodou instalace Platen je, že výsledek není vždy bezchybný, což předurčilo její specializaci na výrobu surových technických diamantů.

Připomeneme-li si kosmickou teorii původu diamantů, pak dochází k zahřívání ve vrstvách atmosféry a výbuchu při dopadu na zemský povrch. Detonační syntéza nanodiamantů platí i pro fyzikální metody. Pomocí výbušnin je grafit vystaven náhlému zahřátí na vysoké teploty a zvýšený tlak.

Zajímavostí této metody je, že mikrokrystaly se získávají při pokojové teplotě a normálním atmosférickém tlaku. Suspenze grafitu a organické kapaliny se podrobí ultrazvukové kavitaci. Když zvukové vlny určité intenzity procházejí kapalinou, tvoří se bubliny. Když se tyto prázdné bubliny zhroutí, uvolní se velké množství energie, podobně jako vodní kladivo. Ve výsledku tato energie stačí k vytvoření krystalové mřížky nanodiamantů.

Tato technologie je založena na chemických procesech. Celý název je Chemická depozice z plynů neboli chemická depozice z plynu. Proces probíhá při nízkém tlaku a syntetizované diamanty mají vyšší kvalitu než při vystavení teplotě a lisování.

Jako zdroj uhlíku se používá plyn, nejčastěji metan nebo jiná sloučenina obsahující vodík a uhlík. Usazování probíhá na tzv. „zárodku“, na kterém se vytvoří krystalová mřížka.

Tato metoda umožňuje získat tenké, ale dostatečně velké vzorky diamantů, které budou použity pro laserová a další vysoce přesná zařízení.

Výhody a nevýhody

Jedinou nevýhodou syntetických diamantů a diamantů je jejich cena. Výroba kamenů vyžaduje sofistikované vybavení a laboratorní podmínky. Také získání malého kamene vyžaduje čas.

Mezi výhody laboratorně pěstovaného krystalu patří:

• úplná identita s přírodním analogem (syntetizovaný původ lze určit pouze v laboratoři);
• vysoká čistota kamene s minimálním procentem nečistot;
• maximální tvrdost na Mohsově stupnici;
• schopnost odebírat velké množství tepla v kombinaci s vlastnostmi dielektrika;
• odolný vůči kyselinám a jinému agresivnímu prostředí.

Další výhodou syntetizovaných diamantů je jejich „humánní složka“. Při vývoji diamantových dolů v afrických zemích je využívána lidská práce, navíc se diamantová pole kvůli vojenským konfliktům stávají předmětem násilných konfliktů s lidskými oběťmi. Laboratorní kameny oba tyto faktory vylučují, jsou výhradně „mírové“. Tato skutečnost je činí atraktivními pro lidi, kteří nechtějí podporovat žádné projevy diskriminace a násilí.

Na závěr se sluší zmínit, že syntetické diamanty a jejich napodobeniny nejsou totéž. Ano, kubické zirkonie a moissanit jsou také umělé kameny, které ve špercích nahrazují přírodní diamanty. Vzhledově jsou podobné – bezbarvé, jiskří, ale v molekulárním složení mají výrazné rozdíly. Jsou také identifikovány fyzikálními a chemickými rozdíly ve vlastnostech.

Mezi milovníky diamantů jsou jak příznivci přírodních kamenů, tak ti, kteří se zásadně zajímají o úspěchy vědy. Šperky se syntetickými diamanty nejsou horší než jejich analogy, nápadné jiskrou a duhovostí na okrajích. Schopnost získat fantazijní barvu také dává klenotníkům výhodu při vytváření složitých designových děl, protože nyní lze kámen vytvořit na zakázku.

Diamant v kvalitě drahokamů je jedním z nejdokonalejších výtvorů přírody. Stačí se podívat na čistý diamant a okamžitě pochopíte: tady to je, Ideál! Člověk je hrdý a ambiciózní: snaží se nejen kopírovat mistrovská díla přírody, ale také je zlepšovat.

Syntetický diamant je absolutní kopií přírodního diamantu, ale bez nevýhod, které jsou přirozenému minerálu vlastní. K vytvoření technologií, které umožňují vypěstovat zářící krystaly v laboratorních podmínkách, muselo lidstvo urazit dlouhou cestu.

Ano, umělé diamanty jsou levnější než jejich přírodní protějšky a nemají žádnou investiční hodnotu. K jejich těžbě se však nepoužívá tvrdá práce (viděli jste trhák „Blood Diamond“?), nedochází k poškozování přírody a šperky se syntetickými diamanty jsou dostupné většímu počtu milovníků šperků.

Jak vznikly syntetické diamanty?

Diamanty v kvalitě přírodních drahokamů jsou poměrně vzácné a jejich těžba je velmi nákladný proces. To vede k velmi vysoké ceně těchto skutečně královských kamenů.

Diamanty se tvoří v obrovských hloubkách, pod obrovským tlakem, a pak jsou během sopečných procesů unášeny blíže k povrchu. Leží v obřích kimberlitových trubkách a k vytěžení jednoho šperkařsky atraktivního diamantu je potřeba zpracovat stovky tun horniny.

Proces tvorby diamantu se táhne po stovky milionů let. Jejich zásoby se postupně vyčerpávají, což způsobuje neustálý růst cen. Právě proto jsou přírodní diamanty z hlediska investic vážný zájem.

Pokusy o vytvoření umělého diamantu byly činěny dlouhou dobu – již od předminulého století, kdy byl objeven diamantový vzorec. Okouzlující kameny se ukázaly jako obyčejný uhlík, tedy blízcí příbuzní obyčejného grafitu a uhlí. A uhlík získal mimořádnou tvrdost, průhlednost, brilanci a další vlastnosti, které jsou diamantu vlastní, díky speciální kubické krystalové mřížce.

Stav vědy a techniky dlouhou dobu neumožňoval získat diamantový krystal v umělých podmínkách. Vědci pravidelně hlásili údajně úspěšné pokusy vypěstovat diamant, ale až do poloviny minulého století šlo o padělky.

Dlaň v tomto ohledu patří švédskému vědci Balzaru von Platenovi – v roce 1953 jako první získal diamant v umělých podmínkách. A pak technologii výroby zdokonalili američtí výzkumníci.

První umělé diamanty se na trhu objevily o pár let později, vědci v jiných zemích se naučili diamanty pěstovat v laboratořích, ale skutečný úspěch byl ještě daleko: syntetické minerály nebyly kvalitní a daly se používat výhradně pro technické účely.

Postupem času se technologie zdokonalovala a v roce 1970 se Herbertu Strongovi a Robertu Wentorfovi z americké korporace General Electric konečně podařilo získat diamanty v kvalitě drahokamů o hmotnosti až jednoho karátu. Technologie, kterou používali, se ale ukázala jako nerentabilní: náklady na výrobu syntetických kamenů se blíží ceně přírodních diamantů, nebo ji dokonce převyšují.

Největší dosud známý diamant kvality drahokamů byl vypěstován v roce 2015. Nejčistší diamant o váze 10,2 karátů byl vybroušen z polotovaru o váze 32,26 karátů. A jeho autorem byla firma z Petrohradu, New Diamond Technology.

Nedávno pronikla do tisku informace, že ukrajinští vědci překonali ty ruské: podařilo se jim získat umělý diamant o váze až 109 karátů. Podrobnosti o technologii zatím nebyly zveřejněny, takže je těžké posoudit pravdivost tohoto příběhu.

V současnosti jsou lídry ve výrobě umělých diamantů společnosti z USA, Japonska a Ruska. A v podnicích Nebeské říše se ročně nýtují miliardy karátů diamantů, ale velmi nízké kvality, pro technické potřeby.

Název umělých diamantů

Pamatujte: umělý diamant se nazývá. Ano, tak se to nazývá: umělý nebo syntetický diamant nebo diamant. Mohou existovat nějaké obchodní názvy, ale diamantem zůstává podle definice.

Uměle vypěstovaný diamant má stejné vlastnosti jako jeho přírodní protějšek: skládá se z čistého uhlíku, je nekompromisně tvrdý, průhledný, prakticky nepropouští agresivní chemikálie a tak dále. Navíc je bez vad, které jsou vlastní jeho přirozenému protějšku (praskliny, skvrny a jiné vady).

Umělý diamant není napodobenina nebo padělek, ale minerál umělého původu. Od přírodního diamantu jej nerozezná ani klenotník, který nemá spektrografické vybavení, ale co průměrný člověk?

Umělé diamanty mohou být také certifikovány, ale jsou posuzovány odděleně od jejich přírodních protějšků. Konkrétně ruský 10karátový diamant byl certifikován Mezinárodním gemologickým institutem (IGI) v Hong Kongu.

Obyčejní lidé a často i prodejci některých klenotnictví často nazývají všemožné napodobeniny umělými diamanty. Ale mezi pojmy „syntetický diamant“ a „imitace“ je propast!

Fianit

Chemicky je kubický zirkonium kubický zirkonium. Kubická zirkonie je vývoj sovětských vědců, kteří se pokusili získat kámen podobný diamantu v optických vlastnostech, ale mnohem levnější.

Uspěli a nyní se kubické zirkonie používají jak při výrobě optických zařízení, tak pro výrobu levných šperků. Navenek jsou podobné diamantům, ale nemají stejnou hru barev, jsou mnohem měkčí a mohou se časem zakalit. Ale jsou velmi levné!

Moissanit

Zde je nejkvalitnější a nejdražší náhrada diamantu na moderním trhu. Zde však dochází ke zmatení pojmů. Moissanit je minerál přírodního (s největší pravděpodobností kosmického) původu. Jeho krystaly jsou extrémně malé a ve šperkařském průmyslu se nepoužívají.

Ale umělý analog moissanitu, karborundum, je mnohem rozšířenější. Používá se jako vložky do šperků. Karborundum se tvrdostí blíží diamantu (9,5 na Mohsově stupnici) a výrazně předčí ve své schopnosti odolávat teplu. Leskne se ještě jasněji než diamant!

Leukosapír

Leukosafír je bezbarvý korund, často nazývaný bílý safír. Bílé safíry jsou mnohem levnější než jejich modré protějšky a často působí jako „diamanty“ ve špercích ve středním cenovém segmentu. Prakticky se nezakalí, vykazují vynikající tvrdost a průhlednost – zkrátka velmi kvalitní a levná napodobenina.

Syntetizace korundu je mnohem jednodušší a levnější než jeho získávání z umělých zdrojů, a proto klenotníci často pracují s leukosafíry umělého původu.

Korundy jsou slavnou rodinou, která zahrnuje nejen safíry, ale také rubíny. Tyto kameny jsou téměř totožné ve vlastnostech a chemickém složení, s výjimkou přísad, které určují barvu.

Rutil

Rutil je jedním z nejlevnějších a nejméně kvalitních diamantových analogů. Chemicky se jedná o oxid titaničitý, fyzikálně jde o přírodní zakalený hnědý krystal. Pro šperkařské účely je málo využitelný.

V polovině minulého století se však naučili vyrábět rutil uměle, čímž získal vzhled diamantu. V té době to byl průlom v klenotnictví a šperky s „titanem“ nebo „duhovým kamenem“ plnily regály obchodů. Ale umělý rutil je docela měkký a náchylný k zakalení.

Kamínky

Do této skupiny patří nejrůznější imitace diamantů vytvořené na bázi skla. Obyčejný kus skla s ušlechtilým kamenem si jen těžko splete, ale šperkaři Georgu Strassovi se podařilo ideálu přiblížit alespoň vizuálně. Vyvinul technologii nanášení kovového prášku na povrch skla, která umožnila získat velkolepý „diamantový“ lesk.

Cena kamínků se velmi liší: od haléře za cetky čínské výroby až po velmi drahé za slavné krystaly Swarovski. Nejkvalitnější kamínek se však diamantu ani zdaleka neblíží a škrábe skoro jako obyčejné sklo.

Kamínky Swarovski mají unikátní složení, proto jsou ve světě tak vysoce ceněné. Před více než stoletím vyvinul maestro technologii výroby umělého křišťálu, která dodnes zůstává utajena a nepřekonána.

Z čeho jsou umělé diamanty vyrobeny?

V současné době je známo několik technologií pro výrobu umělých diamantů. Některé jsou však velmi složité a drahé, zatímco jiné neprodukují vysoce kvalitní diamanty.

Diamanty se nejčastěji vyrábějí z diamantů získaných pomocí následujících technologií:

• HPHT. Technologie HPHT (high pressure, high temperature) je klasická a ve výrobě nejpoužívanější – grafitové polotovary jsou umístěny v lisu a vystaveny působení katalyzátorů a vysokých teplot. Téměř všechny technické diamanty a lví podíl šperkařských diamantů jsou vyrobeny touto technologií.
• CVD. Během chemického procesu se uhlík ukládá ze směsi plynů na semeno a nepoužívá se vysoký tlak, což snižuje náklady na proces. Tímto způsobem je možné získat diamantové filmy o dostatečně velké ploše. Vypěstovat čisté diamanty pomocí této technologie je však téměř nemožné.
• Mikroexploze. Při usměrněných mikrovýbuších uhlíkových trhavin se získává diamantový prach, který je následně ochlazen a očištěn od grafitu v kyselině dusičné. Výsledný produkt slouží především k výrobě brusných materiálů.
• Vliv ultrazvuku. Poměrně slibná a levná technologie, která nevyžaduje zvláštní podmínky. Grafitová suspenze je podrobena ultrazvukové kavitaci, jejímž výsledkem jsou diamantové krystaly. Teoretické výpočty jsou ideální, výroba slibuje, že bude velmi levná, ale tady je problém: diamanty získané tímto způsobem zatím nemají vysokou kvalitu a cena procesu se blíží zlatému standardu, technologii HPHT.

Technologie HPHT byla považována za vyčerpanou, dokud se nestal zázrak. Tentýž největší petrohradský diamant byl vyroben pomocí HPHT. Je tedy velká šance, že časem prověřená technologie dosáhne nové úrovně.

Uměle se syntetizují nejen tradiční bezbarvé diamanty, ale i jejich barevné protějšky. Přídavek dusíku dodává diamantu citronově žlutou barvu, bor mu dodává pronikavě modrou barvu a ozáření jej může zbarvit do zelena nebo červena.

Kde se používají syntetické diamanty?

Jak již bylo zmíněno výše, umělý diamant se od skutečného liší pouze původem: ze všech ostatních hledisek jsou tyto minerály totožné. To znamená, že rozsah použití umělých diamantů je přesně stejný jako u přírodního kamene.

Naprostá většina umělých diamantů je vyráběna speciálně pro technické potřeby. Používají se při výrobě řezných nástrojů a brusiva, elektronických a optických nástrojů, lékařského vybavení a vrtných souprav.

Nejlepší exempláře, které se vyznačují čistotou a dostatečně velkou velikostí, jsou přeměněny na diamanty a ozdobeny prsteny, náramky, přívěsky, náušnicemi, brožemi a dalšími šperky.

Cena umělých diamantů

Na rozdíl od všeobecného přesvědčení není cena syntetického diamantu tak nízká (pokud mluvíme o minerálech v kvalitě drahokamů). Dnes je tržní cena syntetického diamantu sotva poloviční než cena přírodního analogu s odpovídajícími vlastnostmi.

Například v USA jsou tradiční zásnubní prsteny s jednokarátovými umělými diamanty jen o třetinu levnější než ty s přírodními kameny. A vyprodávají se!

Věda nestojí na místě, osvícená veřejnost se stále více přiklání k syntetickým diamantům – ať žije trend šetrnosti k životnímu prostředí! Očekává se tedy, že se technologie v blízké budoucnosti zlepší a budou vyrábět umělé diamanty vynikající kvality za nižší ceny.

Je však nepravděpodobné, že by to zlevnilo královské přírodní kameny, takže těžaři diamantů se nemusí bát: poptávka po přírodních diamantech nikdy neklesne na nulu!