Stokarátové kameny: jak se vyrábí umělé diamanty a kde se pak používají – Tiskové středisko – Fond pro infrastrukturu a vzdělávací programy (FIEP)
Od nepaměti se lidé snažili najít alternativu k drahým, ale atraktivním kamenům – přírodním diamantům. A nejde jen o jejich využití v klenotnictví. Diamant má vzácné vlastnosti – tvrdost a tepelnou vodivost, což umožňuje jeho použití pro mechanické zpracování tvrdých materiálů a drahých kamenů, stejně jako při výrobě průmyslových vrtáků a řezných nástrojů.
První zkušenosti se syntézou umělého diamantu má francouzský vědec Henri Moissan, který v roce 1893 získal první diamanty krystalizací z roztoku v tavenině železa. Bohužel velikost výsledných krystalů byla zanedbatelně malá. Na počest Moissana byl pojmenován analog přírodního diamantu moissanit, který spolu s kubickou zirkonií sloužil jako levnější náhrada přírodních kamenů, dokud se lidstvo nenaučilo vyrábět umělé diamanty.
Syntetické diamanty pro průmysl se objevily až v polovině 1963. století. Jak bylo později známo, první kameny vhodné pro technické účely získala švédská elektrotechnická společnost Asea v roce XNUMX. Přitom samotný fakt získávání a výroby diamantů byl utajován. Tajemství bylo odhaleno až o desítky let později ve sporu o nadřazenost s jinou americkou firmou.
Zároveň existují dvě hlavní technologie pro syntézu umělých diamantů: technologie High-Pressure High-Temperature (HPHT), kdy kameny vznikají při velmi vysokých teplotách a tlaku, a technologie Chemical Vapor Deposition (CVD), při které molekulární syntéza diamantu vrstva po vrstvě probíhá ze směsi plynů metanu a vodíku za podmínek vakua a mikrovln. Nejnovější technologie se nejlépe hodí pro výrobu čistých objemových diamantů a diamantových destiček s jasně definovanými parametry. Řízením receptury syntézy lze touto metodou vyrábět optické diamantové destičky s danou úrovní prostupu světla, teploodvádějící destičky pro elektroniku a lasery s požadovanou tepelnou vodivostí a šperkařské suroviny ve formě kostek se specifickou barvou.
Jednou z nových oblastí uplatnění umělých diamantů je vesmírný průmysl. Startup CVD.Spark (součást skupiny společností TechnoSpark) tak nedávno vyrobil optické diamantové desky pro okna vesmírného zařízení v rámci projektu Solntse-Terahertz Moskevského leteckého institutu, který byl vypuštěn na Mezinárodní vesmírnou stanici (ISS) ke studiu slunečního záření. Obecně je výhoda technologie výroby diamantů CVD oproti HPHT v tom, že první lze použít k výrobě diamantových desek s větší plochou.
Nyní jsou oblastmi použití diamantu řezné a obráběcí nástroje ve formě diamantových kotoučů, nástrojových vložek s diamantovými hroty, diamantových misek pro broušení a leštění. Diamanty se používají v mikroelektronice, výkonové a mikrovlnné elektronice, fotonice, laserové technologii a detektorech ionizujícího záření.
Kromě toho se diamanty CVD.Spark používají v případech, kdy je potřeba odebrat velké množství tepla z teplogenerujícího prvku malého rozměru (mikroobvod, mikrovlnný nebo výkonový tranzistor, polovodičový nebo diskový laser). V takových případech se nepoužívá měď (nejběžnější materiál pro chladiče), ale diamant, protože jeho tepelná vodivost je šestkrát větší než u mědi.
Diamantový povlak nachází své uplatnění také ve spotřební elektronice, počítačích, telefonech – nyní u některých vlajkových modelů chytrých telefonů se diamantový povlak nanáší na zadní kryt nebo na samotný procesor, aby bylo teplo co nejefektivněji odváděno z procesoru a odváděno na krytu.
V lékařství se používají diamantové skalpely s diamantovým povlakem – při operacích s jejich použitím se po zhojení tkání tvoří méně jizev.
Umělé diamanty vyrobené technologií CVD se používají také jako detektor ionizujícího záření v přístrojích pro radioterapii, tzv. protonové nože. Když je možné pomocí elementárních částic, protonů, zaměřit záření do určité hloubky lidských orgánů a provádět operace nebo výzkum s velmi vysokým rozlišením. Při ozařování protony je možné s vysokou přesností ovlivňovat rakovinné buňky, aniž by došlo k poškození buněk zdravých tkání, proto se radiační terapie v současnosti začala široce rozšiřovat v léčbě rakoviny.
V takových zařízeních je však nutné velmi přesně zaznamenávat dávky záření, které pacienti dostávají. V dnešní době jsou v těchto zařízeních používané křemíkové detektory záření, které mají krátkou životnost, nahrazovány diamantovými detektory. V nich diamantová deska plní roli ionizační komory v pevné fázi pod vlivem záření se v desce objevuje velmi malý elektrický proud (elektroluminiscence), který je zařízením přeměněn na množství záření.
Elektroluminiscenční a detektorové vlastnosti diamantu se využívají také ke stanovení úrovně radiační aktivity v bazénech vyhořelého jaderného paliva v jaderných elektrárnách, v urychlovačích částic k určení polohy v prostoru a počtu proudů vysokoenergetických částic.
Diamanty ze vzduchu
Technologie výroby diamantů ze směsi plynů CVD (Chemical Vapour Deposition) se rozvíjí poměrně nedávno – od 1980. let minulého století. Jeho rychlý růst začal na konci roku 2000 a na začátku roku 2010, protože trh začal vyžadovat některé umělé materiály, které byly dříve nahrazeny přírodními. Umělé diamanty jsou totiž asi 10x levnější než přírodní a lze je syntetizovat ve velkých velikostech a se specifickými vlastnostmi.
Umělé diamanty mají navíc oproti přírodním řadu výhod. V klenotnictví je tedy pro výrobu náhrdelníků a náramků často nutné vybrat množství kamenů přibližně stejné velikosti a barvy. Výroba šperků z přírodních kamenů, z nichž každý je individuální, je velmi náročná. Ale je docela možné uměle syntetizovat řadu stejných diamantů za pouhé 2-3 týdny.
V průmyslu jsou výhody syntetických diamantů ještě významnější: přírodní kameny totiž někdy obsahují nežádoucí inkluze jiných minerálů. Kameny získané pomocí technologie CVD se však vyznačují úžasnou čistotou. Přírodní kameny mají navíc omezenou velikost, pár milimetrů. Pokud potřebujete krystal o rozměru 10 x 10 mm nebo destičku o průměru 25-50 mm, tak takové přírodní kameny prostě neexistují, ale syntetické ano. I když se najde nějaký rekordní přírodní kámen, nikdo ho nenařeže na pláty pro použití v laserech, optice, elektronice nebo detektorech. Zde může přijít na pomoc pouze syntetický diamant.
Zavedená praxe nám navíc umožňuje předem určit, jakou tepelnou vodivost, optickou propustnost a citlivost detektoru bude mít tato umělá diamantová deska. Také ve fázi růstu syntetických diamantů je možné je legovat – vnášet atomy jiných chemických prvků do krystalové mřížky, čímž se z diamantů získá materiál s polovodičovými a kvantovými vlastnostmi.
Pro technické aplikace se obvykle nejprve syntetizují velké diamantové destičky – až 2-3 mm silné a až 100 mm v průměru. Tyto velké desky jsou poté laserem řezány na mnoho malých kousků různých tvarů a velikostí, aby vyhovovaly konkrétním aplikacím. Poté jsou tyto desky broušeny a leštěny, aby bylo dosaženo požadované úrovně drsnosti.
Stát
Šperkové diamanty přírodního původu jsou přibližně 10x dražší než umělé. Pokud se bavíme o diamantových deskách, pak je zde cena velmi individuální v závislosti na velikosti a požadovaném zpracování (broušení a leštění může zabrat tolik času a nákladů jako samotná syntéza této desky).
Například diamantová deska odvádějící teplo pro lasery o průměru 20 mm a tloušťce asi 2 mm, ale s minimálním zpracováním, stojí asi 80-100 tisíc rublů. Malá optická část o průměru 10 mm a tloušťce 0,5 mm, ale s oboustranným leštěním, může stát 100-150 tisíc rublů.
Cena šperkových diamantů se vypočítává v závislosti na jejich velikosti podle tabulek Rappoport, které jsou zveřejňovány týdně a určují cenu diamantů při prodeji v závislosti na jejich velikosti, čistotě a barvě. Při prodeji jednotlivě stojí 1 karát malého až středně velkého syntetického diamantu mezi 400 a 1000 USD. Tato cena je ale velmi variabilní a závisí na situaci na trhu.
S rostoucí velikostí krystalů exponenciálně roste jejich cena za karát. Umělý kámen 1-1,5 karátů tedy stojí přibližně 2 až 1000 USD za karát.
“Produkce syntetických diamantů je docela předvídatelná: každá syntéza trvá asi 20-30 dní a je možné současně syntetizovat 20 nebo více kamenů v reaktoru,” říká generální ředitel CVD.Spark. Alexej Kušikov.
Naproti tomu technologie HPHT může nabídnout pouze velmi omezené velikosti diamantů s maximálním průměrem 10 mm. Monokrystalové diamanty využívající technologii HPHT jsou syntetizovány mnohem rychleji, ale jejich nevýhodou je, že mohou obsahovat inkluze nebo změněnou barvu: technické krystaly budou šedé nebo žluté, což výrazně snižuje jejich cenu.
Budoucnost trhu
Syntetické diamanty zahrnují velký podíl diamantových nástrojů, tato mezera 30-50 % celého trhu se syntetickými diamanty se v posledních 5 letech velmi znatelně rozvíjí.
Trh s klenotnickými diamanty je zaveden a v blízké budoucnosti neporoste. Jeho přirozeným omezením je vyčerpání přírodních diamantových ložisek. A trh s těmito kameny pro průmysl teprve vzniká. Podle předpovědí bude mít podobu během příštích 3-5 let. Trh se syntetickými diamanty byl v roce 2021 oceněn na 14,08 miliardy USD a předpokládá se, že v letech 8 až 2022 poroste s CAGR přibližně 2030 % (Synthetic Diamonds Global Market Report 2022).
Velké průmyslové podniky mají nyní zájem o laboratoře, jako je CVD.Spark, které mohou vyžadovat desítky nebo stovky reaktorů na výrobu diamantových plátků, aby uspokojily své potřeby.
Přírodní diamanty nadále zdražují a přesouvají se do prémiového segmentu, protože jejich prokázané zásoby klesají. A syntetické kameny obsadí své místo na masovém trhu.
Zdroj: TechInsider
Vyslán: 9 2023 сентября
Skupina TechnoSpark — je součástí investiční sítě Fondu pro infrastrukturu a vzdělávací programy (FIEP) — prvního startupového studia v Rusku, které se zabývá výhradně deep-tech startupy. TechnoSpark se rozvíjí v centru Nové Moskvy a sériově spouští a vytváří nové technologické společnosti, jejichž produkty jsou na trhu žádané. Od roku 2012 TechnoSpark sériově vytváří společnosti, jejichž hlavním cílem je vývoj a výroba nových technologických produktů, které mění staré trhy a otevírají nová odvětví.
Již šest let v řadě je TechnoSpark uznáván jako nejúčinnější technologický park v zemi v hodnocení Asociace klastrů a technologických parků Ruska. Ekosystém TechnoSpark je jediný, který umožňuje jak vstup do nových průmyslových odvětví, tak i nahrazení upadajících prvků starých průmyslových odvětví.
Více o společnosti – technospark.ru