Synthetisch diamant

Alle koolstofatomen zijn hetzelfde, of ze nu in grafiet of in diamant ingebouwd zijn.In deze tweede aflevering van “Materiaal op maandag” (deel 1 is hier) gaan we dieper in op diamant, mijn favoriete materiaal. Diamant spreekt tot de verbeelding. Niet enkel tot die van trouwlustige jongedames, maar ook tot die van wetenschappers. Aan het eind van de achttiende eeuw had de Engelse chemicus Smithson Tennant met een eenvoudige proef aangetoond dat diamant uit dezelfde substantie bestaat als grafiet en houtskool (zie Tennants artikel uit 1797). Intussen weten we dat deze drie materialen uit puur koolstof bestaan: element C met atoomnummer 6. Tussen een individueel atoom van het grafietstaafje in je potlood of een atoom van een diamant zit er geen enkel verschil. In tegenstelling tot edelmetalen zoals goud is het element koolstof ook helemaal niet zeldzaam.

Wat diamant zo bijzonder maakt, zijn niet de individuele atomen, maar de ordening van die deeltjes. Ze zitten in een sterk gebonden kristalrooster en dit geeft het materiaal een aantal bijzondere eigenschappen: diamant is heel hard, het is transparant en het heeft ook interessante elektronische eigenschappen. Of koolstof zich ordent als grafiet of als diamant (of nog andere allotropen van het materiaal, zoals buckyballen) hangt af van de omgeving waarin het zich bevindt. Bij kamertemperatuur en onder normale atmosferische druk heeft grafiet de voorkeur. In de aarde, op zo’n 160 km diepte (dit is onder de aardkorst, in de aardmantel), zijn er echter zones waar diamant spontaan kan ontstaan: de druk is er hoog genoeg bij een temperatuur van rond de duizend graden Celsius. Als er dan ook nog vulkanische activiteit in de buurt is, kan het diamant met het gloeiende magma meeliften naar het aardoppervlak. Er zijn weinig plaatsen waar al de omstandigheden precies goed zijn (diamant wordt vooral gewonnen in centraal en zuid Afrika) en dat maakt diamanten zeldzaam en kostbaar.

De alchemisten droomden ervan om goud te maken van minder waardevolle materialen. Achteraf – met onze huidige wetenschappelijke kennis – is het gemakkelijk om in te zien waarom dit niet lukte: om het element goud (Au) te maken uit andere elementen zou je een kernreactie moeten opstarten. Omdat zowel diamant als grafiet echter uit hetzelfde (vrij alledaagse) element koolstof bestaan, lijkt het idee om diamant te maken uit grafiet minder hopeloos. Het is inderdaad mogelijk om deze transformatie in het labo te laten gebeuren. Net zoals diamant op natuurlijke wijze kan ontstaan in de aarde, kun je een apparaat bouwen waarin je grafiet onder hoge druk en temperatuur laat omzetten in diamant. Deze techniek heet HPHT, wat staat voor ‘High Pressure, High Temperature‘. De toestellen zijn groot en de geproduceerde diamantjes klein. Ook heeft men met deze techniek weinig controle over de vorm en andere eigenschappen van het geproduceerde diamantkristal. Daarom bleef men verder zoeken naar alternatieve manieren om synthetisch diamant te maken.

Deze zoektocht leidde tot de ontwikkeling van een tweede type synthetisch diamant: CVD-diamant. CVD staat voor ‘Chemical Vapour Depostion‘ of ‘chemische dampafzetting’. Bij deze techniek wordt er methaangas (CH_{4} of aardgas dus) gebruikt als koolstofbron. Met behulp van microgolven wordt het gas omgezet in een plasma, waarbij de elektronen en de atoomkernen vrij voorkomen. In het plasma wordt er een plaatje silicium gelegd. Silicium heeft namelijk dezelfde kristalstructuur als diamant, met een vergelijkbare roosterconstante. Het intuïtieve idee is dat de koolstofatomen uit het plasma het rooster ‘verder bouwen’ en dat er zo een diamantfilm groeit op het siliciumoppervlak. Dit zou op de volgende manier kunnen gebeuren, waarbij het koolstof in de vorm van CH_{3}-radicalen op het oppervlak landt:

Op deze manier kan er een nieuw laagje diamant aangroeien in een CVD-reactor.

Vereenvoudigd diagram van het standaard groeimodel voor CVD-diamant. (Bron van de figuur: http://www.chm.bris.ac.uk/pt/diamond/growthmodel.htm)

Als je echter naar de temperatuur en druk kijkt van het plasma, blijkt bovenstaand reactiemechanisme zeer onwaarschijnlijk te zijn: grafiet is onder de gebruikte omstandigheden de dominante fase. CVD lijkt dus een nodeloos ingewikkelde manier om grafiet te maken, ware het niet dat men in de jaren 1960 een slimme truc heeft gevonden: men voegt een overmaat aan waterstofgas (H_{2}) toe aan het gasmengels. De vrije waterstofkernen uit het plasma zullen vooral het gevormde grafiet wegetsen en in mindere mate het diamant. (Zie deze website voor meer details.)

Zo ontstaat er een soort processie van Echternach in de CVD-reactiekamer: deeltjes koolstof landen op het silicium, de meeste hiervan vormen grafiet en slechts enkele diamant, maar het grafiet wordt door waterstof weggevangen terwijl het gevormde diamant grotendeels ongemoeid wordt gelaten. Netto groeit de diamantfilm aan, beetje bij beetje, met vallen en opstaan. Het laagje wordt elk uur één tot honderd micrometer dikker (afhankelijk van de reactieparameters). Om er een echte edelsteen van een respectabel aantal karaat van te maken is geduld dus de boodschap. Bovendien vergt het slijpen van zo’n hard materiaal ook heel wat tijd.

Het scenario waarbij de diamantair in een lege winkel staat, de reactor aanzwengelt en zegt: “Eventjes geduld, mevrouw, uw diamant is zo klaar” is en blijft dus fictie.

Gelijkaardige berichten:

Facebooktwittergoogle_plusredditpinteresttumblrmail

5 Reacties

  1. Pingback: Bitterzoete wetenschap » Sylvia's blog

  2. Pingback: Vast, vloeibaar, of gasvormig? Wat een toestand! » Sylvia's blog

  3. Pingback: Vredesprijs voor explosief nanodiamant » Sylvia's blog

  4. Pingback: Diamonds are forever – of toch niet? » Sylvia's blog

  5. Pingback: In pyjama naar het labo » Sylvia's blog

Laat een reactie achter

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

84 − 75 =