Synteettinen timantti

Synteettiset timantit ovat keinotekoisesti tuotettuja timantteja, jotka vastaavat luonnossa esiintyviä geologisessa prosessissa syntyneitä timantteja. Yleisimmät menetelmät synteettisten timanttien luomiseksi ovat HPHT- (High Pressure, High Temperature) tai CVD-menetelmät (Chemical Vapor Deposition); muita mainittavia menetelmiä ovat räjäytysmenetelmä ja ultraäänikavitaatio. Pienempää puhtautta vaativia synteettisiä timantteja valmistetaan teollisuuden tarpeisiin HPHT-menetelmällä ja puhtaudeltaan korun tasoisia kuluttajille suunnattuja timantteja tuotetaan yleensä CVD-menetelmällä riippuen maailmanlaajuisesta kysynnästä.
Historia.
1800-luvulla monet tiedemiehet suorittivat useita kunnianhimoisia kokeita timanttien syntetisoimiseksi, mutta vuoteen 1952 mennessä kaikki aikaisemmat valmistusyritykset todettiin varmuudella epäonnistuneiksi tai epäuskottaviksi. Tilanne kuitenkin muuttui pian General Electricin (GE) ja ruotsalaisen ASEA-yhtiön tutkimustuloksien myötä näiden kehitettyä ensimmäisen timanttien syntetisointimenetelmän, joka tunnetaan HPHT:na.
Amerikkalainen GE oli alkanut tutkia timanttien syntetisointia jo 1940-luvulla, mutta 2. maailmansota keskeytti projektin väliaikaisesti. Kyseinen projekti aloitettiin uudestaan hieman sodan jälkeen 1950-luvun alussa ja ensimmäinen onnistuminen tapahtui 16. joulukuuta 1954. He käyttivät oman tutkijansa Tracy Hallin tekemää laitetta, jolla saatiin aikaiseksi 18 GPa paine ja 2 000 °C:n lämpötila. Ruotsalainen ASEA-yhtiö tutki amerikkalaisten kanssa riippumattomasti samaan aikaan timanttien syntetisointia salaiseksi luokitellussa QUINTUS-tutkimuksessa. ASEA:n edustajat esittelivät keinotekoisia timantteja 23 vuoden tutkimisen jälkeen 16. helmikuuta 1953. Tutkijat olivat jäljitelleet laboratoriossa geologisten timanttien syntyprosessin olosuhteita eli korkeaa painetta ja lämpötilaa. Paltzar Von Platenin suunnittelemalla koneella pidettiin yllä 83 000 atm paine tunnin ajan ja tuloksena saatiin syntetisoitua 40–50 pientä timanttia. General Electric päätyi saamaan kaiken kunnian ensimmäisistä ihmisen valmistamista timanteista, koska ASEA ei pystynyt toistamaan tuloksia omalla metodillaan tarpeeksi luotettavasti. Näin ollen ASEA päätyi pitämään työnsä tulokset pitkään salassa.
HPHT-menetelmän kehittämisen jälkeen seuraava merkittävä askel oli CVD-menetelmä, jossa timantteja pystytään “kasvattamaan” korkean lämpötilan ja matalan paineen olosuhteissa. Kuten ASEA:n tapauksessa, myös CVD-menetelmällä syntetisoitiin onnistuneesti timantti ennen GE:n omaa julistusta vuonna 1954. Ensimmäisen CVD-timantin valmisti todistetusti Union Carbide -korporaation W. G. Eversole 15. lokakuuta 1953 mennessä.
Yllä olevien mullistavien menetelmien lisäksi räjäytysmenetelmä on myös huomionarvoinen synteesimenetelmä, jota tutkittiin sekä Yhdysvalloissa että Neuvostoliitossa. De Carli onnistui ensimmäisenä tuottamaan nanotimantteja pienellä saannolla Yhdysvalloissa vuonna 1961. Neuvostoliitossa muodostettiin vuosien 1960–1980 aikana tutkimuskeskuksia erittäin lujien materiaalien valmistamiseen. Tutkimusten ohessa keksittiin keino valmistaa nanotimantteja räjäytysmenetelmällä vuonna 1963, mutta menetelmää tutkittiin enemmän vasta 1980-luvulla melkein 20 vuoden tauon jälkeen. Tuotantoprosessia ei saatu optimoitua tarpeeksi ja useita tutkimuskeskuksia suljettiin vuosien 1993–2003 aikana kannattamattomina. Kiinnostus räjäytysmenetelmää kohtaan on jälleen kasvanut tutkijoiden keskuudessa viimeisimmän vuosikymmenen aikana johtuen mm. uusista tavoista hyödyntää nanotimantteja.
Valmistusmenetelmät.
Korkea paine ja korkea lämpötila (HPHT).
HPHT-menetelmässä jäljitellään timanttien tuottamiseksi samantapaisia korkean paineen ja lämpötilan olosuhteita kuin luonnossa geologisen prosessin tuloksena syntyneiden timanttien tapauksessa; eli faasia, jossa hiilen luonnollinen muoto on grafiitin sijasta timantti. Menetelmää varten on kehitetty kolme erityyppistä prässiä, mutta yksinkertaistettuna toimintaperiaate on seuraavanlainen. Tarvittava korkea painekuorma voidaan tuottaa menetelmästä riippuen useilla alasimilla, joiden väliin asetetaan näytesäiliö. Näyte kuumennetaan tyypillisesti sähköisesti välittämällä sähkövirta alasimien kautta näytesäiliön ympäristössä olevaan lämmittimeen.
Timantin synteesi saadaan tapahtumaan näytesäiliössä asettamalla sinne siementimantteja, mahdollisimman puhdasta hiilinäytettä ja liuotinmetallia. Liuotinmetallin sulaessa myös hiilinäyte liukenee ja liuos kulkeutuu säiliön pohjalla oleviin siementimantteihin. Liuoksessa oleva hiili sakkautuu pois siementimantteihin ja seurauksena ne kasvavat reaktiossa suuremmiksi timanteiksi.
HPHT-prosessilla valmistetut timantit sisältävät metallisen katalyytin vuoksi yleensä epäpuhtauksia ja ovat näin ollen värillisiä. Menetelmää onkin käytetty pitkään valmistamaan timantteja teollisuuden tarpeisiin, mutta korunlaatuisten timanttien valmistus on myös mahdollista.
Räjäytysmenetelmä.
Räjäytysmenetelmällä saadaan aikaiseksi synteettisiä nanotimantteja, joiden halkaisija on 1–5 nm. Menetelmässä asetetaan metallikammioon hiiltä sisältävää räjähdettä. Räjähdyksen seurauksena kammion paine ja lämpötila nousevat niin suureksi, että räjähteen sisältämä hiili syntetisoituu timanteiksi. Räjähdyksen jälkeen painetta ja lämpötilaa alennetaan nopeasti, jolloin ohitetaan ei-toivottu paine-lämpötila vaihe, jossa grafiitin faasi on timanttia stabiilimpi; tällöin lämpötila on yhä tarpeeksi suuri grafiitti-timantti konversioon.
Toinen tapa käyttää räjähdysmenetelmää: grafiittijauheella täytetty metalliputki sijoitetaan räjähdyskammioon. Kun räjäytys tapahtuu, se lämmittää ja tiivistää grafiittia timanteiksi. Putkessa on runsaasti grafiittia ja muita hiilen muotoja; jotta timantit saadaan eroteltu hiilen muista muodoista, täytyy putkessa olevia aineita keittää kiehuvassa typessä (250 °C) noin 1 päivä.
Räjähdysmenetelmällä ei saada nanotimantteja suurempia timantteja aikaiseksi, koska korkeapaineen kesto on liian lyhyt suurempien timanttien valmistukseen.
CVD-menetelmä.
CVD-menetelmässä timantti voidaan valmistaa timanttipölyllä pinnoitetulle kasvualustalle hiiltä sisältävän kaasuseoksen avulla korkean lämpötilan (n. 600–900 °C) ja matalan paineen olosuhteissa. Menetelmän käytännön etuja ovat mm. tuotteen puhtaus, halvat valmistuskustannukset ja mahdollisuus tehdä ohuita timantinkaltaisia kalvoja. Hyödynnettävä kaasuseos sisältää hiilen lisäksi yleensä myös vetyä, tehden esim. metaanista varteenotettavan vaihtoehdon. Prosessi on yksinkertaistettuna seuraavanlainen. Kaasuseosta lämmitetään jollain energianlähteellä, jolloin yhdisteestä vapautuu hiiliatomeja kaasujen välisten kemiallisten reaktioiden myötä; nämä vapautuneet hiiliatomit kertyvät kasvualustalle kasvattaen timanttia. Hiilen faasidiagrammin mukaisesti termodynamiikka suosii yllä mainituissa olosuhteissa grafiitin muodostumista kasvualustalle timantin sijasta vaikka päinvastaisen tiedetään käytännössä tapahtuvan CVD:n tapauksessa. Ilmiötä on tutkittu paljon ja on pystytty muodostamaan teorioita ja malleja havaintojen ymmärtämiseksi. Esimerkiksi artikkelin mallilla voidaan yleisesti arvioida CVD:n tapauksessa timantin kasvattamisessa tarvittavaa kaasuseoksen koostumusta.
Ultraäänikavitaatio.
Ultraääni voi aiheuttaa nesteissä paikallisesti äärimmäisiä ilmiöitä. Sonikoimalla nestettä korkealla intensiteetillä, saadaan ääniaalloilla aikaan vuorotellen korkean ja matalan paineen syklejä. Matalan paineen vaihe muodostaa nesteeseen pieniä tyhjiökuplia. Kun tyhjiökuplat saavuttavat tilan, jossa ne eivät enää kykene absorboimaan energiaa, romahtavat ne rajusti korkean paineen vaiheen aikana. Tätä ilmiötä kutsutaan kavitaatioksi. Romahduksen aikana voidaan saavuttaa paikallisesti jopa 7 000 K:n lämpötila ja yli 2 000 atm paine. Lisäksi nesteeseen muodostuu virtauksia, joiden nopeudet voivat olla jopa 280 m/s.
On selvää, että tätä ilmiötä voidaan soveltaa timanttien valmistukseen, kun tiedetään miten timantit muodostuvat luonnossa. Ultaäänikavitaatiolla voidaankin valmistaa nano- ja mikrokoon timantteja. Esimerkiksi grafiittijauheen ja orgaanisen liuoksen suspensiosta tämä onnistuu vain 1 atm paineessa, huoneenlämmössä ja verrattaen kilpailukykyisillä kustannuksilla esimerkiksi HPHT-menetelmään verrattuna. Tällä menetelmällä saadaan käytetystä grafiitin määrästä n. 10 % muutettua lähes yhtenäisen kokoisiksi mikro-timanteiksi, jotka ovat kooltaan 6 tai 9μm ± 0.5μm. Suspensiossa käytettäväksi liuokseksi parhaiten soveltuvat aromaattiset oligomeerit joiden kiehumispiste on korkea ja höyrystymispaine matala.
Ultraäänikavitaatiota voidaan soveltaa myös muodostamalla nanotimantteja suoraan nestemäisten hiilivety-yhdisteiden kuten etanolin, tolueenin tai bentseenin hiilestä. Tässä menetelmässä hyödynnetään Venturi-ilmiötä, jonka aiheuttama 80–90 MPa:n paineaalto romahduttaa ultraäänellä muodostetut tyhjiökuplat. Tällä tavoin valmistettujen timanttien koko on 3–30 nm kokoluokkaa, lähtöaineesta riippuen.
Sovellukset.
Työkalut.
Timantti on kovuutensa ansiosta ihanteellinen materiaali erilaisissa leikkaus- ja hiontatyökaluissa. Timantteja voidaan käyttää esimerkiksi rakeina kulmahiomakoneen laikkaan upotettuna tai hienona jauheena erilaisten työkalujen pinnalla. Myös erilaisia nanopinnotteita ollaan kehitetty, joissa hyödynnetään nanotimantteja.
Elektroniikka.
Synteettinen timantti johtaa lämpöä paremmin kuin mikään muu tunnettu materiaali. Vastoin kuin muut yleisesti käytetyt lämmönjohtimet, se ei kuitenkaan johda sähköä lainkaan, vaan toimii sähköeristeenä. Tämän lisäksi timantin optiset ominaisuudet ovat ainutlaatuiset. Näiden ominaisuuksiensa ansiosta synteettisillä timanteilla on laajat sovellusmahdollisuudet elektroniikan saralla. Suotuisiin ominaisuuksiin kuuluu myös timantin korroosiovapaa rakenne, joka voisi mahdollistaa synteettisten timanttien käytön myös ääriolosuhteissa käytettävässä elektroniikassa. Synteettisiä timantteja on pidetty myös yhtenä vaihtoehtona tulevaisuuden kvanttitietokoneiden komponentteina, jossa nanotimanttien sisällä typpiatomien muodostamat tyhjiöaukot toimisivat ns. kvanttipisteinä.
Lääketiede.
Tuoreissa tutkimuksissa on osoitettu nanotimanttien soveltuvan monilla tavoin lääketieteen tarpeisiin. Parhaat ominaisuudet perustuvat nanohiilirakenteiden kykyyn absorboida tiettyjä yhdisteitä, mutta muihin nanohiilirakenteisiin nähden nanotimantteja on verratten edullista tuottaa esimerkiksi räjäytysmenetelmällä. Nanotimantteja voidaan käyttää esimerkiksi lääkkeen toimittamisessa suoraan syöpäsoluihin. Tällä tavoin toteutetun kemoterapian on osoitettu aiheuttavan huomattavasti vähemmän haittavaikutuksia verrattuna perinteisiin kemoterapiamuotoihin. Lisäksi nanotimanttien avulla on jopa onnistuttu parantamaan lääkkeen vaikutusta ns. kemoresistenttien syöpäsolujen kukistamisessa.
Korukivet.
CVD-menetelmällä valmistetut timantit yleistyvät voimakkaasti korukivimarkkinoilla. Myös HPHT-menetelmällä voidaan valmistaa korutimantteja, mutta puhtaampia ja suurempia kiviä tavoitellessa CVD-menetelmä on osoittautunut tehokkaammaksi niin kustannusten kuin lopputuloksenkin kannalta. Viimeisen vuosikymmenen aikana CVD-menetelmällä valmistettujen timanttien laatu on saatu niin korkeatasoiseksi, että luonnontimantin ja CVD-timantin ero voidaan joissain tapauksissa selvittää vain laboratoriotutkimuksissa. Amerikan Gemmologinen Instituutti ("Gemological Institute of America", GIA) on kuitenkin kehittänyt asian helpottamiseksi testerin, jonka avulla voidaan alle 10 sekunnissa selvittää onko timantti synteettinen, luonnonkivi vai vaaditaanko laboratoriotutkimuksia. Laitteen toiminta perustuu UV-säteilyyn ja tutkittavan kiven fluoresenssiin. Ainoastaan luonnonkivi saa aikaan sinisen fotoluminenssin.