Képes lesz-e a tudomány létrehozni a szupergyémántot?
A szintetikus gyémántok előállítása korábban sohasem létezett lehetőségeket tár fel előttünk. A tudománynak túl kell tennie a természeten, hogy a laboratóriumokban hozza létre a tökéletes gyémántot. Ehhez a természet megmutatta már az utat. A kérdés csak az, hogy tovább tudunk-e lépni. Elképzelések szerint a szupergyémánt a természetes gyémánt valamennyi tulajdonságával rendelkezne, de bármilyen alakban és méretben gyártható volna.

Miért pont a gyémántokat kívánják mesterségesen előállítani? A gyémántok rendkívül tartósak, ellenállóak, és szinte örök életűek. Ez utóbbi kifejezés azonban mégsem pontos, mert a legtöbb gyémántdarab természetes eredetű hibákat tartalmaz, amelyek nem bírják a túl magas hőmérsékletet és nyomást.

A washingtoni Smithsonian Intézetben őrzik a világ leghibátlanabb természetes gyémántját, a Hope-ot. A 45 és fél karátos kő több mint százszor akkora, mint ami egy átlagos gyűrűt ékesít, egyike a valaha talált legnagyobb és legértékesebb gyémántoknak. Kb. 250 millió dollárt ér.

Ez a drágakő rendelkezik néhány olyan szokatlan tulajdonsággal, amelyek megmutatják, hogy miért olyan különleges anyag a gyémánt. A különleges kő, ha ultraibolya fénnyel 10–15 másodpercig világítjuk, erős, narancssárga fényben ragyog. Ezt a foszforeszcenciát hosszú évekig átoknak tulajdonították, miután a követ évszázadokkal korábban ellopták egy indiai templomból.

Spektométeres vizsgálatok során azonban kiderül, hogy a Hope kibocsátott fénye kékből és vörösből tevődik össze. A követ a bőr színezi kékre, a nitrogén okozza vöröses fényét. A Hope tehát kémiai elemek, nem pedig holmi átok miatt világít. A kutatók azonban nem a vörös fényt, hanem a Hope kék színéért felelős bórt találják a legizgalmasabbnak. A bór nem csak elszínezi a gyémántokat, hanem képessé teszi őket az elektromos áram vezetésére is. A kék gyémántok a bórtartalmuk következtében tulajdonképpen félvezetők. Emiatt jelentősen eltérnek a többi, tiszta szénből álló gyémántoktól, amelyek tökéletes elektromos szigetelők.

A Hope-hoz hasonlóan bórban gazdag kék gyémántok viszont vezetők. A hozzáadott bóratomok és a szénatomok kölcsönhatása teszi lehetővé, hogy az elektromos áram átfolyjon rajtuk. Nem csupán a kék, de valamennyi gyémánt rendelkezik még egy hasznos tulajdonsággal. Minden más ismert anyagnál jobban vezetik a hőt. Ha sikerülne előállítani az elektromosságot és hőt is jól vezető mesterséges gyémántot, akkor az a mindennapi életünk nélkülözhetetlen kellékeit is forradalmi méretekben megváltoztatná.


Szilícium pótlék
A legtöbb elektronikus eszközben fellelhető félvezetők az elmúlt 50 évben szinte csak szilíciumból készültek. Ennek azonban az a hátránya, hogy minél erősebb áram folyik át rajta, annál jobban felmelegednek, 150 fok felett működésképtelenné válnak, ezért összetett hűtőrendszereket igényelnek.

A Channel ajánlata
A gyémánt a Földön előforduló anyagok legkeményebbike, így nem csoda, hogy mindig is kivételes szerepet töltött be az ember kultúrtörténetében: legendák fűződnek hozzá, számos népcsoport mitológiájának a tárgya, s a világ minden táján hosszú évszázadok óta a gazdagság, a fényűzés és a szépség szimbóluma. Mára azonban a gyémánt túlnőtt önmagán, és értékes csecsebecséből egy olyan kivételes felépítésű anyaggá változott, amely forradalmasíthatja a 21. század technológiáját. A National Geographic filmjében három kontinens tudományos boszorkánykonyháiba pillantunk be, meglesve, hogy napjaink alkimistái miként kísérleteznek a jövő szupergyémántjának kicsiszolásával.

Miután felfedezték, hogy a kék gyémántok a hő mellett az áramot is jól vezetik, a fejlesztők már elképzelhetik szilíciumon túli világot, ahol a mobiltelefonoktól a műholdakig minden gyémántokkal működik. Ha az elektronikát gyémánttal vonhatnánk be, vagy gyémántdarabokkal vezethetnénk el a keletkező hőt, az kétségtelenül új területeket nyitna meg az elektronikus eszközök gyártói előtt.

Azonban a gyémántok ritkák és drágák, a természetes félvezető gyémántok, mint a Hope, még ezerszer ritkábbak. Ráadásul még az alakjuk és a méretük sem felel meg az ipari alkalmazás céljaira. Ezért a kutatók olyan mesterséges gyémánt kifejlesztésén dogoznak, amely a természetes kék gyémánt minden előnyével rendelkezik, a mérete és az alakja viszont megtervezhető.


A kezdetek
A szupergyémánt megalkotásához először meg kell ismernünk a természetes gyémánt felépítését. A gyémántok alapanyaga – ritkaságuk ellenére – a Föld egyik legismertebb eleme, a szén. Körülöttünk szinte minden anyag a szénre épül, szervezetünkben is 18% az aránya. Bolygónk is több mint 90 milliószor millió tonna szenet tartalmaz.

A Világegyetem eleinte csupán hidrogénből, héliumból és nyomokban lítiumból állt. A szén azonban nem földi eredetű. Az életük végén vörös óriássá váló csillagok magjában jött létre. A vörös óriások olyanok voltak egykor, mint a mi Napunk, idővel azonban eredeti méretük több ezerszeresére fúvódtak fel, és életük végére fehér fényük vörösre változott. A csillag magja ilyenkor már szinte kizárólag héliumból állt, és a belsejében zajló nukleáris folyamatok lebontották, és új elrendezésben állították össze a hélium alkotórészeit szénné.


A csillag végül egy fehéren izzó villanásban, olyan rendkívüli erővel robbant fel, hogy a több milliárd tonna szenet világűr legtávolabbi zugába is szétszórta. A robbanás által kivetett anyag idővel pályára állt egy új csillag körül és a keringő anyag összecsomósodott. A csomók az évmilliók során összetömörültek, és kezdetét vette a bolygók kialakulása. Így jött létre a Naprendszer és benne a saját bolygónk is. Ez magyarázza, hogy a Föld mélyén nagy mennyiségben megtalálható a gyémántok nyersanyaga, a szén.


Grafit és gyémánt
A szén általában gyenge formát ölt, ennek legismerősebb változata a grafit. Ceruzának kiváló, a technikai alkalmazásokhoz viszont túlságosan puha. Hihetetlen, hogy ugyanannak az elemnek ennyire különböző két megjelenési formájáról van szó. A grafit gyengén kötődő síkokba rendeződött szénatomjai láthatóan három-három szomszédos atomhoz kapcsolódnak, háromszögű elrendezésben. A gyémántban azonban minden szénatom négy szomszédjához kapcsolódik hozzá, térbeli rácsos szerkezetben. A gyémánt ezért minden irányban szilárd, és ez a fő különbség.

A szupergyémánt megalkotásán dolgozó kutatók legnehezebb feladata az lesz, hogy keménnyé tegyék a szintetikus gyémántot. Ezért le kell másolniuk a gyémánt rácsszerkezetét. Ehhez viszont rá kell jönniük, hogy hogyan változtatja a természet az egyszerű szenet tündöklő gyémánttá.

A gyémánt kialakulása
Dél-Afrika szikláiban bukkantak először – a 19. században – gyémántokra. Származásuk azonban igazi rejtély volt. Csoportosan kerültek elő, ahol egyre rátaláltak, ott hamarosan még több is felbukkant. Ez vezetett ahhoz a felismeréshez, hogy a folyamat, amely a gyémántokat a földfelszínre hozza, feltehetően mélyről indul.

A gyémántok a Föld mélyén, a föld kérgét és a forró magot elválasztó, 150 kilométer mélyen található köpenynek nevezett rétegben alakulnak ki. A mélyben uralkodó roppant nyomás azáltal változtatja meg a szén molekulaszerkezetét, hogy egymáshoz préseli és új rácsos elrendezésbe kényszeríti az atomokat. A szén a rendkívüli nyomás és hőmérséklet hatására alakul gyémánttá, ehhez mintegy 1500 fokos hőmérsékletre és 5000 megapascal nyomásra van szükség. Ez olyan, mintha 4000 felnőtt ember súlya nehezedne az egyik lábunkra.

 Kimberlit

Kimberlit


A gyémántok a kimberlit nevű kőzetben találhatók. A kimberlit a föld mélyében keletkező magmás kőzet, amely úgy alakul ki, hogy miközben a magma a felszín felé tör, kimberlit-kürtőket hoz létre, amely a földköpenyből származó kőzetolvadékkal és gyémántokkal van tele. Ezek a kérget áttörve kicsiny, de nagy erejű vulkánként törnek ki. Felfelé haladva összeszedik a mintegy 200 kilométer mélyen lévő rétegekből a gyémántokat, és a felszínre törő robbanást követően a vulkanikus anyag lerakódik, lehűl és megszilárdul. Így a sziklák belseje gyémántokat rejt, a rendkívül ritka, tökéletesen formált kristályok kimberlitbe ágyazódnak. A gyémántok kialakulásához 4 milliárd év kellett, a kutatók viszont néhány nap alatt szeretnék szupergyémánttá formázni a szenet.


Mesterséges ipari gyémántok
A grafit gyémánttá alakítására az 1950-es években már voltak kísérletek. A General Electric (GE) olyan gépeket fejlesztett ki, amelyek közel 5500 megapascal nyomáson zúzták össze a grafitot, majd 1400 fok fölé hevítették, lemásolva a földköpenyében ható erőket. Öt évbe és dollármilliókba került, de 1955 februárjában a GE végre bejelenthette a sikert: elkészült a világ első mesterséges ipari gyémántja.


Több mint 50 évvel később, a dél-afrikai Johannesburg közelében működő Element Six laboratórium folytatja a szintetikus gyémántok előállításának munkáját. A GE nyomdokain haladva tömegesen termelik a gyémántokat, de nem az ékszerészek, hanem a nehézipar számára. A laboratóriumban álló prések kevesebb, mint 45 perc alatt képesek gyémántot készíteni, amelyek nyersanyaga a rendkívüli tisztaságú grafitpor. Ezt nagy nyomás alatt 1400 és 2000 fok közötti hőmérsékletre hevítik. Tulajdonképpen 20 autó súlyát rakják rá, miközben felmelegítik 1400, vagy akár 2000 fokra is. A végtermék pedig a természetben előfordulónál 50%-kal keményebb gyémánt.

Az ilyen gyémántok forradalmasították a bányaipart is. A kemény kőzetek, például a gránit fúrása során fellépő súrlódás miatti felmelegedés kárt tehet a hagyományos fúrófejekben. A gyémánthegyű fúrók viszont elvezetik a hőt az érintkezési pontról.

Az ipari gyémántok egyetlen hátránya, hogy nagyon aprók.

A floridai Sarasotában működő Gemesis cég viszont éppen azt vállalta fel, hogy elég nagy szintetikus gyémántot hoz létre ahhoz, hogy áramkört nyomtathassanak rá, vagy más korszerű eszközzé formálják.

Ehhez egy különleges berendezésben nagyméretű gyémántokat növesztenek. Egy magnak nevezett, mikroszkopikus gyémántból indulnak ki, amely lehet mesterséges vagy természetes is. Ezt grafittal veszik körül. A grafitot egy valódi gyémánt mag köré helyezik el, a Föld belsejében zajló folyamatokat másoló környezetben, tehát felhevítik és egy nagy teljesítményű hidraulikus préssel összenyomják.

A hőmérséklet és a nyomás alkalmazásának következtében a grafit különálló szénatomokra bomlik. Ezek az atomok eljutnak a mintául szolgáló gyémántmagig, és hozzákapcsolódnak. Az olvadó grafitból felszabaduló szénatomok a gyémántmagon kristályosodnak ki, így a gyémánt atomról atomra növekszik.

A végeredményként keletkező mesterséges drágakő akár háromszor akkora is lehet, mint a mag. A mesterséges kövek minősége olyan jó, hogy nem könnyű megkülönböztetni őket a természetes eredetűektől.

A valódi tudományos áttöréshez a kutatók azonban most olyan gyémántot próbálnak készíteni, amely a valódival minden tulajdonságában megegyezik, ám az alakja és a mérete a természetben nem fordul elő. Ez még a Gemesisnél nem sikerült. Azonban a megoldás valószínűleg a világűrből érkezik.


Folytatjuk.


Kapcsolódó cikkek:

  • A világ legnagyobb gyémántja
  • Gyémántipar a kőkorban: a mainál jobb technikájuk volt!
  • Melyik a legkeményebb természetes illetve mesterséges anyag a Földön?
  • Miért izzik vörösen a Hope-gyémánt?