Yapay elmas

Sentetik elmaslar (yapay elmas, kültürlü elmas ya da ekili elmas olarak da bilinir), Jeolojik süreçler sonucunda oluşan doğal elmasların aksine yapay süreçler uygulanarak üretilen elmas türleridir. Sentetik elmaslar üretim yöntemlerine göre HPHT elmas veya CVD elmas olarak ikiye ayrılırlar (sırasıyla yüksek basınç yüksek sıcaklık ve kimyasal buhar biriktirme kristal oluşumu yöntemleri). Sentetik kelimesi tüketiciler tarafından taklit ürünler ile karıştırılmasına yol açsa da sentetik elmaslar doğal elmaslar ile aynı materyalden yapılmıştır (izotropik 3B formda kristalize saf karbon). Bu tür bir yanlış anlaşılmayı gidermek amacıyla ABD'de Federal Ticaret komisyonu tarafından Laboratuvar üretimi, [üretici ismi] yapımı gibi alternatif ön ekler ile tanımlanması kararlaştırılmıştır.
1879 ile 1928 yılları arasında birçok Elmas sentezi denemesi belgelenmiştir, bu denemelerin çoğu analiz edilmiş ancak hiçbiri doğrulanamamıştır. 1940'lı yıllarda ABD, SSCB, İsveç tarafından CVD ve HPHT yöntemleriyle elmas üretimi amacıyla sistematik araştırmalar başlamıştır. İlk tekrarlanabilir sentez 1953 yılında bildirildi. Bu iki süreç hala sentetik elmas üretiminde hakim süreçlerdir. Bir üçüncü yöntem olarak bilinen patlama sentezi, 90'lı yıllarda piyasada kullanılmaya başlanmıştır. Bu süreçte karbon içeren patlayıcıların kullanılmasıyla nanometre büyüklüğünde elmas taneleri oluşturulan bir patlama oluşturulması esastır. Dördüncü yöntem ise grafiti yüksek güçte ultrasona maruz bırakmak esasına dayanan süreçtir, laboratuvarlarda uygulanmış olup henüz ticari uygulamalara tesir edememiştir.
Sentetik elmasın özellikleri elmasın üretim sürecinde uygulanan yönteme göre değişmektedir ancak bazı sentetik elmasların üretim yöntemine bağlı olmaksızın sertlik, ısı iletkenliği, elektrik iletkenliği gibi özellikleri çoğu doğal elmastan dahi üstündür. Sentetik elmaslar aşındırıcılarda, parlatmada, kese aletlerinde ve soğutucularda çokça kullanılır. Sentetik elmasların elektronik alanındaki uygulamaları da her geçen gün genişlemektedir bu uygulamalar arasında enerji santrallerindeki yüksek güç anahtarları, yüksek frekanslı alan etkili transistörler ve ışık yayan diyotlar vardır. Enerji araştırma tesislerinde kullanılan sentetik elmas temelli ultraviyole (UV) ışın veya yüksek enerjili partikül dedektörleri de ticari olarak mevcuttur. Termal ve kimyasal stabilite, düşük genleşme oranı, geniş spektrumda yüksek optik geçirgenlik gibi birçok özelliğin seçkin bir kombinasyonuna sahip olan elmas yüksek güçlü karbondioksit lazerleri ve girotronlar için en popüler materyal haline gelmiştir. Endüstriyel alanda kullanılan elmasların yaklaşık %98'i sentetiktir.
Hem CVD ve HPHT yöntemi ile üretilen elmaslar şeffaf, beyaz, sarı, kahverengi, mavi, yeşil ve turuncu çeşitli renklerde üretilebilir ve iki taşa bölünebilir. Sentetik elmasların üretilmeye başlanması elmas ticareti sektöründe büyük endişeler yaratmıştır. Bunun sonucunda doğal ve sentetik elması birbirinden ayırmak amacıyla özel spektral cihazlar üretilmeye başlanmıştır.
Tarih
1797 yılında elmasın saf karbon olduğunun keşfi ile birlikte ucuz karbon ürünlerini elmasa çevirmek amacını taşıyan birçok deneme yapılmıştır. Bu konuda rapor edilen en erken başarı James Ballantyne Hannay tarafından 1879 yılında ve Ferdinand Frédéric Henri Moissan tarafından 1893 yılında rapor edilmiştir. Her ikisi tarafından da uygulanan metot mangal kömürünü demir potada 3500 C ye kadar ısıtmayı içermektedir. Buna karşın Hannay alev ısıtmalı tüp kullanırken Moissan yeni geliştirdiği elektrik ark fırınını kullanmıştır. İşlem sırasıda eriyen demir soğutma suyu yardımıyla hızlıca soğutulmuştur. soğutma sonucunda oluşan daralma ise grafitin elmasa dönüşümü için gerekli olan yüksek basıncı sağlamıştır. Moissan bu çalışmasını 1890'lı yıllarda bir makale dizisi hazırlayarak yayınlamıştır.
Birçok bilim adamı yaptığı deneyleri tekrar etmek için çalışmıştır. Sör William Crookes 1909 yılında çalışmasının başarılı olduğunu iddia etmiştir. Otto Ruff 1917 yılında 7 mm çapına kadar elmas üretmeyi başardığını iddia etmiş, ancak daha sonra yaptığı açıklamada iddiasından vazgeçmiştir. 1926 yılında McPherson Kolejinden Dr. J Willarda Hershey Moissan ve Ruff'un çalışmalarını tekrar etmiştir, Üretilen elmasın bir fotoğrafı McPherson Müzesinde sergilenmektedir. Moissan, Ruff, Hershey ve diğer deneylere ait iddialara rağmen söz konusu denemeler senztezleme için yetersizdi.
En kesin çoğaltma girişimleri Sör Charles Algernon Parsons tarafından gerçekleştirilmiştir. Onun icadı buhar türbini ile tanınmış bir bilim adamı ve Mühendis olan Parsons, Moissan ve Hannay'ın deneylerini tekrarlamanın yanında bu deneylere kendi üretim sürecini de adapte ederek yaklaşık 40 yılını (1882-1922) bu amaç uğruna çalışarak geçirdi. Parsons ayrıca metodik kayıt tutma konusundaki özenli ve isabetli yaklaşımıyla da bilinir; bu nedenle sonuç numuneleri de ileri analizler amacıyla bağımsız kuruluşlar tarafından incelenmesi amacıyla saklanmıaştır. Bu konuda birçok makale yazmıştır ki bunların bazıları en erken HPHT elmasları ile ilgilidir. Ancak 1928'de, Dr. C. H. Desch'e o tarihe kadar Moissan ve diğerleri de dahil olmak üzere kimse tarafından sentetik elmas üretilemediği konusunda kendi görüşünü de içeren bir makale yazması için izin verdi. Bu makalede o güne kadar sentetik elmas olduğu iddia edilen malzemelerin sadece sentetik spinel taşı olduğunu söyledi.
GE Elmas Projesi
1941 yılında General Elektrik (GE), Norton ve Carborundum şirketleri arasında elmas sentezinin ileri geliştirmelerinin yapılması amacıyla bir anlaşma yapılmıştır. Bu şirketler o dönemde karbonu birkaç saniye 3.000 C sıcaklığa ulaştırma ve 3,5 GPa basınca maruz bırakma yeteneğine sahiptirler. Çalışmaların başlamasından kısa süre sonra İkinci Dünya Savaşı projenin yarım kalmasına sebep olmuştur. 1951 yılında GE laboratuvarlarında bir HPHT elmas grubu Francis P. Bundy ve H. M. Strong tarafından sentezlenmiştir. Tracy Hall ve diğer bilim adamları da kısa süre sonra projeye dahil olmuşlardır.
Üretim Yöntemleri
Sentetik elmas üretiminde birden çok yöntem bulunmaktadır. En yaygın yöntem daha düşük maliyetli olması sebebiyle Türkçe açılımı yüksek basınç ve yüksek sıcaklık yöntemi olan HPHT'dir. Bu yöntemde karbon elementi, yüzlerce ton ağırlığa karşılık gelen 5 GPa basınç altında 15000 C sıcaklığa kadar çıkartılarak elmas elde edilir. İkinci yaygın yöntem ise Türkçe açılımı kimyasal buhar biriktirme olan CVD yöntemidir. Bu yöntemde bir yüzey üzerinde karbon plazması oluşturularak atomların elmas olarak kristallendirilmesi sağlanmaktadır. Bu iki yaygın yöntemin dışında patlama sentezi ve sonikasyon gibi yöntemler de bulunmaktadır
Sentetik elmasın özellikleri elmasın üretim sürecinde uygulanan yönteme göre değişmektedir ancak bazı sentetik elmasların üretim yöntemine bağlı olmaksızın sertlik, ısı iletkenliği, elektrik iletkenliği gibi özellikleri çoğu doğal elmastan dahi üstündür. Sentetik elmaslar aşındırıcılarda, parlatma, kese aletlerinde ve soğutucularda çokça kullanılır. Sentetik elmasların elektronik alanındaki uygulamaları da her geçen gün genişlemektedir bu uygulamalar arasında enerji santrallerindeki yüksek güç anahtarları, yüksek frekanslı alan etkili transistörler ve ışık yayan diyotlar vardır. Enerji araştırma tesislerinde kullanılan sentetik elmas temelli ultraviyole (UV) ışın veya yüksek enerjili partikül dedektörleri de ticari olarak mevcuttur. Termal ve kimyasal stabilite, düşük genleşme oranı, geniş spektrumda yüksek optik geçirgenlik gibi birçok özelliğin seçkin bir kombinasyonuna sahip olan elmas yüksek güçlü karbondioksit lazerleri ve girotronlar için en popüler materyal haline gelmiştir. Endüstriyel alanda kullanılan elmasların yaklaşık %98'i sentetiktir.