De Beers vende diamanti sintetici: ecco come sono fatti

Aug 04, 2023

Professore di Fisica dei Materiali, Università di Aberystwyth

Andrew Evans riceve finanziamenti dall'EPSRC, dall'UE (WEFO) e da Element Six.

L'Aberystwyth University fornisce finanziamenti come membro di The Conversation UK.

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La più grande azienda di diamanti del mondo, De Beers, ha recentemente annunciato che inizierà a vendere diamanti sintetici per la prima volta nei suoi 130 anni di storia. I diamanti artificiali vengono prodotti sin dagli anni '50, ma De Beers ha resistito a lungo al passaggio al mercato sintetico. L’azienda ora ritiene che la tecnologia sia sufficientemente efficiente per produrre grandi quantità di diamanti sintetici con la qualità delle migliori pietre preziose. Come funziona esattamente questo processo?

Il diamante è molto apprezzato come pietra preziosa trasparente che brilla come nessun'altra. È anche uno dei materiali più duri e risulta freddo al tatto. Tutti questi straordinari attributi dipendono dalla disposizione perfettamente regolare degli atomi all'interno del cristallo di diamante e tutti questi atomi sono esattamente gli stessi: sono carbonio.

Piccole imperfezioni in questa disposizione, che si tratti di un atomo nel posto sbagliato, mancante o di un elemento diverso, possono portare a enormi cambiamenti nel colore del diamante. Ad esempio, la sostituzione di un atomo di carbonio su 10.000 con un atomo di azoto trasformerebbe una pietra preziosa trasparente in marrone.

Far sì che gli atomi di carbonio si dispongano in questo cristallo perfetto non è facile e non può avvenire naturalmente sulla superficie terrestre poiché qui il carbonio preferisce formare cristalli di grafite, il morbido materiale nero che usiamo nelle mine delle matite. In questo ambiente, gli atomi di carbonio tendono anche ad attaccarsi più facilmente ad altri atomi come l'ossigeno e l'idrogeno che tra loro. Ciò significa che anche produrre cristalli di grafite pura è difficile.

I diamanti naturali vengono prodotti nelle profondità della Terra dove, molto raramente, gli ingredienti giusti alla giusta temperatura e pressione vengono riuniti e poi trasportati in superficie nel corso di milioni di anni. I primi diamanti artificiali furono realizzati in laboratorio replicando queste condizioni in enormi macchine, e questo è ancora il modo in cui vengono realizzati oggi piccoli diamanti per utensili da taglio industriali.

È anche possibile produrre cristalli di diamante artificiale di alta qualità facendo crescere strati di atomi di carbonio uno alla volta utilizzando il metano. Ciò viene fatto rimuovendo l’idrogeno dalle molecole di metano in recipienti super puliti utilizzando plasmi caldi. Tutto il carbonio viene quindi costretto a trasformarsi in cristalli di diamante, anziché in uno dei tanti altri tipi di carbonio come grafite, grafene o fullerene Buckminster (a meno che, ovviamente, non si vogliano coltivare combinazioni di questi materiali molto diversi).

La sfida è rendere questo processo, noto come deposizione chimica da fase vapore (CVD), economicamente vantaggioso. De Beers ritiene ora di aver raggiunto questo punto e prevede di estendere la produzione nel suo stabilimento di Ascot nel Regno Unito e in una nuova fabbrica di diamanti negli Stati Uniti.

Il controllo della purezza di questi cristalli apre anche nuove opportunità per l’utilizzo del diamante. Ad esempio, è possibile utilizzare ciascuna impurità atomica come una minuscola torcia che produce una singola particella di luce priva di interferenze da parte degli atomi vicini nel cristallo. Questo può essere utilizzato per memorizzare un singolo bit di informazione per uno speciale computer "quantistico". Le impurità del boro, oltre a produrre preziosi diamanti blu scuro o neri, vengono utilizzate per produrre diamanti che conducono elettricità, fornendo un materiale alternativo al silicio o ai metalli in condizioni estreme come nello spazio.

Ogni diamante naturale porta con sé indizi sulla sua storia unica ed è possibile rivelarne l'origine ispezionandolo con gli strumenti più moderni. Anche i diamanti artificiali contengono queste informazioni e le differenze nel modo in cui si illuminano alla luce ultravioletta vengono regolarmente utilizzate per distinguere le pietre preziose naturali da quelle sintetiche. Quindi, anche se la perfezione del diamante non può essere messa in dubbio dall'occhio umano, le sue piccole imperfezioni sono sempre lì a rivelare la sua storia nascosta e la sua individualità.