Συνθετικά διαμάντια

Σύνθεση πολύτιμων λίθων

Ας εξηγήσουμε λίγο τον παραπάνω νόμο. Στη φύση κάθε χημική ένωση έχει κάποιες συγκεκριμένες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας που την «αναγκάζουν» να κρυσταλλωθεί με αυστηρά συγκεκριμένη συμμετρία. Εάν δηλαδή αλλάξουμε τις συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, τότε η συγκεκριμένη χημική ένωση ή δεν θα καταφέρει να κρυσταλλωθεί ή θα κρυσταλλωθεί με διαφορετική συμμετρία. Ο άνθρακας είναι το τέλειο παράδειγμα που θα μπορούσαμε να αναφέρουμε γιʼ αυτόν τον νόμο. Ο άνθρακας, εάν βρεθεί σε θερμοκρασία 1200ºC και πίεση 60.000 ατμοσφαιρών θα κρυσταλλωθεί στην ολοεδρία του κυβικού κρυσταλλογραφικού συστήματος, θα γίνει δηλαδή διαμάντι. Εάν τώρα μειώσουμε την πίεση και τη ρίξουμε στις 20.000 ατμόσφαιρες, θα κρυσταλλωθεί στην ολοεδρία του εξαγωνικού κρυσταλλογραφικού συστήματος, θα γίνει δηλαδή γραφίτης.

Ο άνθρωπος, εκμεταλλευόμενος αυτόν τον νόμο, σκέφτηκε ότι, αν κατόρθωνε να δημιουργήσει ελεγχόμενα τις συνθήκες πιέσεως και θερμοκρασίας που είναι απαραίτητες για την εκάστοτε χημική ένωση, θα μπορούσε να πετύχει την κρυστάλλωσή της. Φυσικά αυτό απαιτεί τεχνολογικό και επιστημονικό υπόβαθρο. Πρώτον, πρέπει απαραίτητα να γνωρίζουμε τις συνθήκες πιέσεως και θερμοκρασίας που είναι αναγκαίες για την κρυστάλλωση του ορυκτού που επιθυμούμε να συνθέσουμε. Δεύτερον, πρέπει να μπορέσουμε να ελέγξουμε τις ακραίες αυτές συνθήκες, διότι δεν μιλάμε για θερμοκρασίες και πιέσεις της επιφάνειας της γης, αλλά για 1.000ºC και πλέον και πιέσεις που υπερβαίνουν εκατοντάδες έως και χιλιάδες φορές την ατμοσφαιρική. Τέτοιες συνθήκες, για να παραχθούν και να ελεγχθούν εντός περιορισμένου χώρου, π.χ. εντός κλιβάνου, απαιτούν πολύ υψηλή τεχνολογία και αυξημένες γνώσεις μηχανολογίας. Επίσης πρέπει να βρούμε τις απαραίτητες πρώτες ύλες που θα χρησιμοποιηθούν ως υλικό για την απαιτούμενη χημική σύσταση του ορυκτού που επιθυμούμε να «γεννήσουμε» εργαστηριακά. Και, τελευταίο και εξίσου σημαντικό, τι καταλύτες θα χρησιμοποιήσουμε ώστε η κρυστάλλωση να μπορέσει να πραγματοποιηθεί σε ξένο περιβάλλον. Δηλαδή, στη φύση η κρυστάλλωση λαμβάνει χώρα συνήθως σε θερμά διαλύματα ή σε ρευστά πύρινα περιβάλλοντα, όπως είναι το μάγμα και η λάβα, κάτι το οποίο φυσικά δεν συμβαίνει στα εργαστήρια σύνθεσης πολύτιμων λίθων.

Η δική μας περίπτωση της εργαστηριακής σύνθεσης του διαμαντιού, ίσως να είναι η δυσκολότερη από τις συνθέσεις των πολύτιμων λίθων, διότι όπως είδαμε και στην ενότητα της γέννησης των διαμαντιών, στα βάθη στα οποία κρυσταλλώνεται επικρατούν εξαιρετικά υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες, που είναι δύσκολο να αναπαραχθούν τεχνητά και να ελεγχθούν στο εργαστήριο.

Θα αναφερθούμε σε δύο ανθρώπους ως φόρο τιμής για την προσφορά τους στη μεγαλειώδη επιστημονική και τεχνολογική επίτευξη της εργαστηριακής σύνθεσης του διαμαντιού. Τη σύλληψη της ιδέας και τη θεωρητική τεκμηρίωση της σύνθεσης των διαμαντιών είχε ο Henri Moissan, ο οποίος απέδειξε το 1892 τη θεωρία ότι τα διαμάντια θα μπορούσαν να συντεθούν με κρυστάλλωση άνθρακα υπό πίεση σε τήγμα σιδήρου. Ο ίδιος σχεδίασε και κατασκεύασε έναν ηλεκτρικό φούρνο που επιτύγχανε θερμοκρασίες μέχρι 3.500°C. Έτσι, το 1893 κατόρθωσε να παραγάγει μικροσκοπικές πέτρες, που όμως δεν μπορούσαν να καλύψουν ούτε βιομηχανικές ανάγκες. Δυστυχώς ο Henri Moissan έζησε σε μια εποχή που δεν ήταν αρκετά προηγμένη από τεχνολογική άποψη και δεν του επέτρεπε να πραγματοποιήσει την επιθυμία και το όνειρό του.

Χρειάστηκε να περάσουν 61 χρόνια, μέχρι το 1954, όταν τελικά ένας εξαίρετος επιστήμονας, ο Δρ Tracy H. Hall, ηγήθηκε ερευνητικής ομάδας της General Electric, η οποία τελικά παρασκεύασε το πρώτο συνθετικό διαμάντι. Ο Tracy Hall πέθανε σε ηλικία 88 ετών τον Ιούλιο του 2008. Χάρη σε δική του εφεύρεση που ονομάστηκε «ζώνη» (belt), επιτεύχθηκε η γέννηση του πρώτου συνθετικού διαμαντιού. Η belt δημιουργεί υψηλή πίεση και διαμορφώνει τις κατάλληλες συνθήκες για τη γέννηση των συνθετικών διαμαντιών.

Ο Hall γεννήθηκε το 1919 και μεγάλωσε σε αγρόκτημα στο Ogden της Γιούτα. Υπήρξε άριστος σπουδαστής και έγινε δεκτός στο Πανεπιστήμιο της Γιούτα, όπου άξια του απονεμήθηκε το PhD χημείας. Το όνειρό του ήταν να γίνει επιστήμονας στη General Electric. Το πραγματοποίησε το 1948, όταν τελικά έγινε ερευνητής στο εργαστήριο χημείας της GE, όπου εργάστηκε στην ανάπτυξη ενός νέου είδους πλαστικού. Από τότε εξειδικεύτηκε στα πειράματα υψηλής πίεσης. Εξαιτίας αυτού ενσωματώθηκε στην ομάδα που δούλευε για τη δημιουργία συνθετικών διαμαντιών. Οι εργασίες της ομάδας εστίαζαν σε δύο τομείς, στα πειράματα του Hall για τις υψηλές πιέσεις και στην επίδραση των ισχυρών ηλεκτρικών πεδίων στον κρυσταλλικό άνθρακα.

Το 1954 ο Hall και η ομάδα του κατάφεραν τελικά να παραγάγουν το πρώτο συνθετικό διαμάντι. Η χρησιμοποίηση της συσκευής που ο Hall είχε αναπτύξει, βοήθησε την ομάδα να δημιουργήσει παρόμοιες συνθήκες με εκείνες υπό τις οποίες κρυσταλλώνονται στη φύση τα διαμάντια. Η εφεύρεση του Hall επέτρεψε στην General Electric να παραγάγει σκόνη διαμαντιών με εμπορικά συμφέρουσα διαδικασία, η οποία χρησιμοποιείται ακόμα και σήμερα στην βιομηχανία.

Ο Δρ Tracy H. Hall είχε 19 κατατεθειμένα διπλώματα ευρεσιτεχνίας και έλαβε αμέτρητα βραβεία και τίτλους για τη σημαντική προσφορά του στη δημιουργία του πρώτου συνθετικού διαμαντιού. Το 1970 του απονεμήθηκε το βραβείο του Αμερικανικού Ιδρύματος Χημείας (AIC).

Τα πρώτα συνθετικά διαμάντια πολύτιμης ποικιλίας παρήχθησαν το 1970, πάλι από την General Electric, με πρώτη επίσημη διεθνή αναφορά το 1971. Για την κρυστάλλωση χρησιμοποιήθηκε αρχικά ένας ειδικός σωληνοειδής κλίβανος πίεσης από πυροφυλλίτη, ο οποίος στα δύο άκρα του είχε λεπτά διαμάντια για πυρήνες κρυστάλλωσης. Σαν πρώτη ύλη του άνθρακα χρησιμοποιήθηκε γραφίτης τοποθετημένος στο κέντρο του σωλήνα. Η κρυστάλλωση λάμβανε χώρα μέσα σε μεταλλικό τήγμα νικελίου, δηλαδή μεταξύ του γραφίτη και των λεπτών διαμαντιών υπήρχε λιωμένο νικέλιο. Η πίεση στο εσωτερικό του κλιβάνου ήταν 55.000 ατμόσφαιρες. Τα φυσικά διαμάντια στις άκρες του κυλίνδρου λειτουργούσαν σαν πυρήνες κρυστάλλωσης καθώς άνθρακας από τον γραφίτη έρεε προς τα άκρα εμπλουτίζοντας συνεχώς με υλικό, αυξάνοντας έτσι το μέγεθος των διαμορφούμενων συνθετικών διαμαντιών. Στην πράξη, η όλη διαδικασία δημιουργούσε σε μια εβδομάδα περίπου 1 καράτι συνθετικού κρυστάλλου, με την προϋπόθεση ότι οι συνθήκες πίεσης, θερμοκρασίας και τροφοδοσίας υλικού ήταν όσο το δυνατό πιο σταθερές.

Σύντομα στη μέθοδο αυτή ο άνθρακας έπαψε να προέρχεται από γραφίτη και η πρώτη ύλη αντικαταστάθηκε με τρίμματα διαμαντιών. Αυτό έγινε για να μπορέσουν να ελέγξουν το κρυσταλλικό σχήμα των παραγόμενων συνθετικών διαμαντιών. Τα πρώτα συνθετικά διαμάντια πολύτιμης ποικιλίας ήταν κίτρινα με καφέ απόχρωση, λόγω της παρουσίας αζώτου. Παρουσίαζαν επίσης εγκλείσματα, κυρίως μεταλλικές φλοίδες νικελίου. Για να ξεπεραστεί το πρόβλημα του χρώματος, αντί του αζώτου χρησιμοποιήθηκε στη διαδικασία αργίλιο ή τιτάνιο και έδωσε τη δυνατότητα της παραγωγής άχρωμων πετρών. Όμως η απουσία του αζώτου επιβράδυνε την ανάπτυξη των συνθετικών κρυστάλλων και χαμήλωνε την ποιότητά τους, κι έτσι η διαδικασία συνεχίστηκε κανονικά με το άζωτο.

Τα διαμάντια της General Electric και τα φυσικά διαμάντια έχουν ακριβώς την ίδια χημική σύσταση (καθαρό άνθρακα) και τις ίδιες φυσικές ιδιότητες, και διαφέρουν μόνο σε λεπτομέρειες. Οι παραγόμενες από την General Electric άχρωμες πέτρες παρουσιάζουν ισχυρό φθορισμό και φωσφορισμό στη χαμηλού μήκους κύματος υπεριώδη ακτινοβολία, αλλά είναι αδρανείς στα μεγάλα μήκη κύματος της υπεριώδους ακτινοβολίας. Από όλα τα φυσικά διαμάντια, μόνο τα σπάνια μπλε διαμάντια παρουσιάζουν αυτή τη συμπεριφορά στην υπεριώδη ακτινοβολία. Αντίθετα από τα φυσικά διαμάντια, όλες οι πέτρες της General Electric εμφανίζουν ισχυρό κίτρινο φθορισμό στις ακτίνες X. Το 1990 οι επιστήμονες των ερευνητικών εργαστηρίων των De Beers στο Γιοχάνεσμπουργκ ανακοίνωσαν τη δημιουργία ενός συνθετικού κίτρινου διαμαντιού 14,2 καρατίων. Προς το παρόν, η δημιουργία συνθετικών διαμαντιών αυτού του μεγέθους είναι οικονομικά ασύμφορη και η διαδικασία ολοκληρώνεται όταν φθάνουν σε βάρος 1,5, το πολύ 2, καρατιών.

Σε αυτό το σημείο θα θέλαμε να κάνουμε μερικές πολύ σημαντικές παρατηρήσεις. Ο όρος «συνθετικός» δεν σημαίνει ψεύτικος ούτε απομίμηση. Αυτή η εντύπωση είναι εσφαλμένη. Σε κάποια άλλα υλικά της αγοράς, όταν αναφέρουμε συνθετικό, εννοούμε κάτι που ομοιάζει πάρα πολύ με το αυθεντικό, όμως δεν είναι το ίδιο υλικό με αυτό. Στην περίπτωση των κρυσταλλικών ορυκτών, όταν λέμε συνθετικό, εννοούμε ακριβώς το ίδιο σώμα με το φυσικό και η μόνη διαφορά είναι ότι το ένα γεννάται στη φύση ενώ το άλλο στο εργαστήριο. Όλα τα συνθετικά ορυκτά είναι ακριβώς ίδια σε όλα με τα φυσικά ορυκτά. Έχουν την ίδια χημική σύσταση, την ίδια κρυσταλλική δομή, την ίδια συμμετρία, τις ίδιες φυσικές, οπτικές και χημικές ιδιότητες. Πρόκειται δηλαδή για δύο ίδια σώματα. Αν λέγαμε κάτι διαφορετικό, θα ήταν σαν να ισχυριζόμαστε ότι τα φυτά που καλλιεργούνται στα θερμοκήπια δεν είναι κανονικά φυτά, αλλά διαφορετικά από αυτά που φυτεύουμε στον κήπο μας.

Τα συνθετικά ορυκτά αποδεικνύουν το μεγαλείο του ανθρώπινου πνεύματος. Ο άνθρωπος κατόρθωσε να πετύχει κρυστάλλωση στο εργαστήριό του, όμοια με αυτή που συμβαίνει στο εσωτερικό της γης. Ένα συνθετικό ρουμπίνι είναι κανονικό ρουμπίνι και δεν έχει να ζηλέψει τίποτα από κανένα ρουμπίνι του κόσμου. Πολλές φορές τα συνθετικά ορυκτά είναι ανώτερης ποιότητας από ορισμένα φυσικά ορυκτά. Το ίδιο ισχύει και για τα συνθετικά διαμάντια, πρόκειται για αληθινά διαμάντια με όλες τις φυσικοχημικές ιδιότητες των διαμαντιών που γεννιούνται στα 200 χιλιόμετρα κάτω από το έδαφος.

Ο άνθρωπος γνωρίζει τις απαιτούμενες θερμοκρασίες κρυστάλλωσης του διαμαντιού. Διαμόρφωσε μια ειδική διάταξη που του δίνει τη δυνατότητα να αναπαράγει αυτές τις συνθήκες με τη χρήση κατάλληλων καταλυτών όπως σίδηρο, κοβάλτιο, χρώμιο, νικέλιο, λευκόχρυσο και παλλάδιο, μειώνοντας αισθητά τις απαιτήσεις σε πίεση και θερμοκρασία. Του λείπει η πρώτη ύλη του καθαρού άνθρακα που χρειάζεται ώστε να τον κρυσταλλώσει στην ολοεδρία του κυβικού κρυσταλλογραφικού συστήματος. Το βρίσκει και αυτό χρησιμοποιώντας γραφίτη. Ο γραφίτης μέσα στον κλίβανο υψηλής πίεσης από τις ακραίες συνθήκες που τεχνητά δημιουργούνται απελευθερώνει καθαρό άνθρακα, ο οποίος βρίσκεται σε ικανές συνθήκες για να κρυσταλλωθεί ως διαμάντι – το μόνο που χρειάζεται είναι ένας πυρήνας κρυστάλλωσης που θα λειτουργήσει ως «μαγνήτης» που έλκει τον άνθρακα και τον βοηθά να ξεκινήσει την κρυστάλλωσή του. Κι αυτό ξεπερνιέται με την τοποθέτηση στα άκρα του κλιβάνου λεπτών φύλλων διαμαντιού, πάνω στα οποία ο απελευθερωμένος από τον γραφίτη άνθρακας βρίσκει πρόσφορο έδαφος και σχηματίζει κρυσταλλικούς πυρήνες. Από τη στιγμή που θα δημιουργηθούν οι πρώτοι πυρήνες κρυσταλλωμένου διαμαντιού, τίποτα δεν σταματά και τον υπόλοιπο ελεύθερο άνθρακα να κρυσταλλωθεί κι αυτός σαν διαμάντι, αρκεί να μην αλλάξουν οι συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας και η τροφοδοσία με υλικό να έχει συνεχή ροή.

Φυσικά, από το 1954 που δημιουργήθηκε το πρώτο συνθετικό διαμάντι η τεχνολογία έχει κάνει κάτι παραπάνω από άλματα. Τώρα τα μεγέθη των συνθετικών διαμαντιών έχουν μεγαλώσει, τα χρώματα ελέγχονται κι έχουν αναπτυχθεί νέες μέθοδοι σύνθεσης. Φυσικά όλα αυτά δεν πρέπει να μας δημιουργούν την ανησυχία ότι η αγορά θα γεμίσει με συνθετικά διαμάντια, διότι ακόμα και τώρα η σύνθεση διαμαντιών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πολύτιμοι λίθοι είναι ακριβή διαδικασία, αλλά και επειδή τα κοιτάσματα διαμαντιών στη φύση είναι σε σχετική αφθονία.

Ο διαχωρισμός των φυσικών από τα συνθετικά διαμάντια δεν είναι εύκολη διαδικασία, κι αυτό επειδή, όπως είπαμε, πρόκειται για δύο ίδια ακριβώς σώματα. Οι διαφορές τους είναι στις λεπτομέρειες, όπως ακριβώς είναι και στα διαμάντια που προέρχονται από εκλογίτες σε σχέση με τα διαμάντια των χαρτσβουργιτών. Είδαμε και στην ενότητα της γέννησης των διαμαντιών πως τα δύο αυτά διαμάντια που γεννώνται σε διαφορετικά περιβάλλοντα έχουν διαφορετικά εγκλείσματα και διαφορετική ισοτοπική αναλογία, ενώ τα εκλογιτικά διαμάντια περιέχουν σαφώς μεγαλύτερες συγκεντρώσεις αζώτου στην κρυσταλλική τους δομή. Το ίδιο ακριβώς συμβαίνει και με τα φυσικά και συνθετικά διαμάντια: επειδή το περιβάλλον γέννησής τους δεν είναι όμοιο, εμφανίζουν διαφορετικά χαρακτηριστικά σε κάποιες δευτερεύουσες ιδιότητες όπως είναι ο φθορισμός και ο φωσφορισμός ή οι μαγνητικές και ηλεκτρικές τους ιδιότητες. Επίσης η κρυσταλλική τους ανάπτυξη παρουσιάζει διαφοροποιήσεις που, όπως καταλαβαίνετε, θέλει ειδική και εξειδικευμένη έρευνα για να διαπιστωθεί. Λόγω της διαφορετικότητας του περιβάλλοντος κρυστάλλωσης, τα εγκλείσματα που παρουσιάζουν είναι διαφορετικής φύσεως και δομής, όμως τις περισσότερες φορές η αναγνώρισή τους απαιτεί μεγεθύνσεις μεγαλύτερες από το x10 της λούπας που χρησιμοποιούμε για να κατατάξουμε τα διαμάντια σε κατηγορία καθαρότητας. Δηλαδή συνήθως η εξέταση ενός διαμαντιού με τη λούπα και το ειδικό φως για τη χρωματική ταξινόμησή της δεν αρκούν για να διαχωρίσουμε τα φυσικά από τα συνθετικά διαμάντια.

Βεβαίως, το κεφάλαιο των συνθετικών διαμαντιών δεν κλείνει εύκολα και όσο προοδεύει ο άνθρωπος θα εξελίσσεται κι αυτό. Ευτυχώς έχουμε πολύ χρόνο και διάθεση σε αυτό τον ιστότοπο για να πλουτίζουμε μαζί τις γνώσεις μας πάνω σε αυτό το αντικείμενο.