كيف يُصنع الألماس المزروع معملياً: طرق المعالجة بالحرارة العالية الكثافة (HPHT) مقابل طرق التفكيك القابل للتحويل إلى ماس مزروع ف

مقدمة

يُعتبر الألماس المزروع في المختبر بديلاً حديثاً للألماس المستخرج. وله نفس التركيب الكيميائي للماس الطبيعي. تتم زراعته في ظروف مضبوطة. سوف نشرح العمليتين الرئيسيتين اللتين تصنعان الألماس المزروع في المختبر.

ما هو الألماس المزروع في المختبر؟

الألماس المزروع في المختبر هو عبارة عن بلورات تتم زراعتها في المختبر بدلاً من الأرض. وهي مصنوعة من الكربون النقي. ويمتلك الألماس المزروع في المختبر البنية البلورية المكعبة التي يتشاركها الألماس الطبيعي. وهي متشابهة كيميائياً. وهي في الأساس متشابهة في التألق والصلابة في معظم الحالات.

المزايا الرئيسية لهذا الألماس هي الشراء الأخلاقي نظراً لعدم وجود تعدين. كما أن تأثيره على البيئة لا يكاد يُذكر، وتكاليفه أرخص من تكاليف الألماس المستخرج. كما أنها توفر تحكماً جيداً في جودة المنتج النهائي. ولهذا السبب يُفضّل استخدامها في المجوهرات وكذلك في التطبيقات الصناعية.

نظرة عامة على تقنيات نمو الألماس

يعود تاريخ تركيب الألماس إلى خمسينيات القرن الماضي، إذ أُجريت التجارب الأولية لتحديد ما إذا كان بالإمكان تشكيل الألماس خارج الطبيعة. ويضمّ العصر الحالي عمليتين راسختين.

الطريقة الأولى هي عملية الضغط العالي والحرارة العالية. وهي تحاكي العملية الطبيعية في أعماق الأرض حيث يتشكل الألماس على مدى ملايين السنين. أما الطريقة الثانية فهي الترسيب الكيميائي للبخار. وهي تبني الألماس ذرة بذرة وتوفر تحكماً دقيقاً في عملية النمو.

وقد تحسّنت كلتا العمليتين مع مرور الوقت. ولكل منهما شروطها ومعداتها. ويمكن استخدام كلاهما في تطبيقات مختلفة. دعونا نتعرف على ميزات وفوائد كلتا العمليتين.

طريقة الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية

مبدأ نمو الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية

تعتمد هذه العملية على حقيقة أن تشكيل الماس يتضمن ظروفاً صارمة للغاية. فهي تستخدم ضغوطاً تتراوح من 5 إلى 6 جيجا باسكال. ويتم الحفاظ على درجة الحرارة بالقرب من 1500 إلى 1600 درجة مئوية. تسهّل هذه الظروف تحوّل الجرافيت إلى ألماس. يتم دعم التحول في ظل هذه الظروف القاسية. تشبه هذه العملية عملية الطبيعة ولكن في فترة زمنية قصيرة للغاية.

المعدات والإعدادات

هناك حاجة إلى معدات خاصة في هذه العملية. تختلف أنظمة الكبس. تعد أنظمة المكبس المكعب، والمكبس بالحزام، والمكبس المجزأ (أو مكبس BARS) شائعة. يمكن إدارة الضغط العالي ودرجة الحرارة المرتفعة في هذه الآلات. توفر هذه الآلات نظامًا محكومًا لعملية النمو.

خطوات العملية

تبدأ الطريقة ببذرة ألماس صغيرة. تتم إضافة مصدر كربون وتعريضه لظروف قاسية. يتم إحضار محفز معدني منصهر ، الحديد أو النيكل أو الكوبالت. يساعد المحفز ذرات الكربون على ترتيب ذرات الكربون في شكل ألماس. ويكون النمو بطيئاً للغاية. تتراكم بلورة الألماس إلى الخارج من البذرة بمرور الوقت. ويمكن أن تستغرق العملية ساعات أو حتى أيام، حسب الحجم والجودة.

الخصائص النموذجية

قد تظهر على الألماس المتكوّن في هذه العملية صبغة صفراء ضعيفة. ويرجع سبب هذا اللون المائل للصفرة إلى إدخال النيتروجين أثناء النمو. كما أنها تُظهر أيضاً أنماط تضمين مميزة ومناطق نمو مرئية. ويمكن إنتاج ألماس من الدرجة الصناعية وكذلك من الأحجار الكريمة. وترجع معظم استخدامات هذا الألماس في الصناعة إلى أن خصائصه الفيزيائية مناسبة لعمليات مثل القطع والحفر والطحن.

عملية ترسيب البخار الكيميائي

مبدأ النمو بالترسيب الكيميائي للبخار الكيميائي

عملية ترسيب البخار الكيميائي فريدة من نوعها. فهي تبدأ من مزيج من الغازات الهيدروكربونية مثل الهيدروجين والميثان. يتم إنتاج بلازما الكربون في مرحلة الغاز داخل غرفة مفرغة من الهواء. تتساقط الذرات على ركيزة وتبني الماس طبقة تلو الأخرى. تمنح هذه العملية العلماء تحكماً أكبر في نقاء وبنية الماس الناتج.

خطوات العملية

في هذه الطريقة، تتضمن الخطوة الأولى تحضير ركيزة نظيفة. تحتوي الركيزة عادةً على بذرة ألماس دقيقة. ثم تتم العملية في غرفة مفرغة من الهواء. يتم استخدام بلازما الموجات الدقيقة أو خيوط ساخنة لتفكيك غاز الهيدروكربون. تنبعث ذرات الكربون ثم ترسب نفسها على الركيزة. ويتم التحكم بعناية في معدل النمو ودرجة حرارة الغرفة ونسب الغازات. ويسهّل هذا التراص الدقيق تكوين طبقات متجانسة للغاية من الألماس، وغالباً ما تحتوي على شوائب معدنية أقل.

جودة الألماس الناتج

من المرجح أن تسفر طريقة الترسيب الكيميائي للبخار عن ألماس نقي جداً. وهي في الغالب عديمة اللون وتسمى ألماس من النوع الثاني أ. ويتمتع هذا الألماس بهياكل داخلية متجانسة جداً. وتنتج هذه الطريقة في الغالب عيوباً أقل مقارنةً بطريقة الضغط العالي والحرارة العالية. وبما أنها شفافة للغاية وتتمتع بخصائص مضبوطة، فهي مثالية للمجوهرات عالية الجودة. وتستخدم أشباه الموصلات هذه النوعية من الألماس عالي الجودة في العديد من التطبيقات أيضاً.

الخاتمة

ألماس المختبرات هو نتيجة تكنولوجيا متقدمة وعقود من الأبحاث. تحاكي طريقة الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية الطبيعة. فهي تستخدم الضغط والحرارة الشديدين مع محفز لتحويل الجرافيت إلى ألماس. أما طريقة الترسيب الكيميائي بالبخار الكيميائي فتبني الألماس ذرة بذرة في المختبر. ولكل من الطريقتين إيجابياتها وسلبياتها. لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

الأسئلة المتداولة

س: ما هو الفرق الأكبر بين الألماس الطبيعي والألماس المزروع في المختبر؟

ج: يتم إنتاج الألماس المزروع معملياً في المختبرات، بينما يتم تشكيل الألماس الطبيعي في الأرض.

س: لماذا يختار شخص ما عملية الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية؟

ج: لأنها محاكاة قريبة جداً للطرق الطبيعية وتنتج ألماساً فريداً من نوعه.

س: كيف تضمن عملية ترسيب البخار الكيميائي جودة الألماس؟

ج: تقوم ببناء الألماس ذرة بذرة تحت رقابة صارمة لتحقيق النمو المتساوي.