Lịch sử của kim cương được nuôi trong phòng thí nghiệm [Phần 2]

Những lần thử đầu tiên

Năm 1867, một cậu bé tên là Erasmus Jacobs đã phát hiện ra viên kim cương Eureka 20 carat bên bờ sông Orange ở Nam Phi. Điều này đánh dấu sự khởi đầu của cơn sốt kim cương ở Nam Phi. Các nhà địa chất đã tìm thấy những ví dụ đầu tiên về kim cương trong loại đá bản địa của quốc gia, kimberlite, hình thành sâu trong lòng đất. Các nhà khoa học bắt đầu phỏng đoán nhiệt độ và áp suất là chìa khóa cho sự hình thành của nó - do đó, bắt đầu những nỗ lực ở áp suất cao, nhiệt độ cao (HPHT) để tổng hợp kim cương.

1878: Khởi đầu bùng nổ

Nhà hóa học người Scotland James Ballantyne Hannay là một trong những người đầu tiên thử sản xuất kim cương trong môi trường phòng thí nghiệm. Ông cũng là người đầu tiên tuyên bố thành công, mặc dù còn quá sớm và được coi là một phần của thần thoại khoa học.

Hannay có một cách tiếp cận khá nguy hiểm trong việc tổng hợp kim cương. Ông đun nóng hỗn hợp vật liệu giàu carbon và lithium đến nhiệt độ đỏ trong nòng súng kín. Lý thuyết của ông là sức nóng và áp suất sẽ buộc những thứ bên trong tự nghiền nát thành kim cương. Điều này rất nguy hiểm vì các ống có xu hướng phát nổ dữ dội. Mặc dù các kỹ thuật của ông cuối cùng đã được xác định là có lợi cho việc hình thành kim cương, nhưng nó đòi hỏi những khả năng không có vào thời của Hannay.

Tuy nhiên, những mẫu ông mang đến cho công chúng chắc chắn là kim cương, và vào năm 1880, Hiệp hội Hoàng gia đã xuất bản bài báo của Hannay về sự tổng hợp kim cương. Vào thời điểm được phát hiện, người ta nói rằng Hannay đã được đưa ra một số tiền rất lớn nếu anh ta bỏ toàn bộ đồ đạc; Người ta cũng cho biết Sở giao dịch chứng khoán và Amsterdam Diamond Bourse rõ ràng đã có sự 'căng thẳng' theo báo cáo.

Tuy nhiên, cuối cùng, các nhà khoa học vào năm 1975 đã chứng minh được những sáng tạo của Hannay thực sự là kim cương tự nhiên chứ không hề được tạo ra từ thí nghiệm của ông. Những hạt nhỏ mà ông tuyên bố đã tạo ra đã được chuyển giao cho Cục Khoáng sản của Bảo tàng Anh, nơi chúng vẫn còn tồn tại cho đến ngày nay.

Các phương pháp của Hannay cực kỳ bạo lực và cuối cùng đã ảnh hưởng đến sức khỏe của ông:

“The continued strain on the nerves, watching the temperature of the furnace, and in a state of tension in case of an explosion, induces a nervous state which is extremely weakening, and when the explosion occurs it sometimes shakes one so severely that sickness supervenes.”

1889: Tiến triển nhiệt độ cao

Lấy cảm hứng từ việc phát hiện ra kim cương tại địa điểm thiên thạch Canyon Diablo ở Arizona (1891), nhà hóa học và dược sĩ người Pháp đoạt giải Nobel Ferdinand Frédéric-Henri Moissan đã mở đường cho nghiên cứu nhiệt độ cao vào năm 1889

Dựa trên những quan sát của ông về những phát hiện trong thiên thạch, kim cương theo lý thuyết của Moissan có thể được tổng hợp bằng cách kết tinh carbon dưới áp suất từ sắt nóng chảy. Ông thậm chí còn phát triển lò hồ quang điện để có thể nghiên cứu ở nhiệt độ cao. (Khám phá của Moissan về tầm quan trọng của sắt trong việc hòa tan carbon là điều cần thiết cho thành công cuối cùng mà H. Tracy Hall đạt được vào năm 1955.)

Mặc dù đúng là những tinh thể kim cương bát diện nhỏ xíu đã được chiết xuất sau một trong những thí nghiệm của Moissan, nhưng sau đó người ta xác định rằng chúng được trồng ở đó bởi một trợ lý phòng thí nghiệm thông cảm, người ghét nhìn thấy ông chủ của mình thất bại—nói về sự cống hiến của nhân viên!

Tuy nhiên, đừng sợ: Moissan đã phát triển tinh thể trong các thí nghiệm của mình. Ngành công nghiệp đồ trang sức có thể cảm ơn anh ấy vì - bạn đoán được - moissanite tổng hợp. Chất mô phỏng kim cương phổ biến được đặt theo tên ông.

Nhiều nhà khoa học khác đã lặp lại thí nghiệm của Moissan, nhưng không ai tạo ra được kim cương. Một thành phần quan trọng đã bị thiếu: áp lực. Mãi đến năm 1935, những khám phá quan trọng mới được thực hiện. Điều này liên quan nhiều đến sự phát triển của công nghệ và công nghiệp hóa, cũng như cuộc đua giành chiến thắng trong Thế chiến thứ hai

1935: Buổi bình minh của nghiên cứu áp suất cao

Percy Williams Bridgman là một nhà vật lý thực nghiệm người Mỹ, người đã có những đóng góp lớn cho nghiên cứu áp suất cao của mình. Đây là cơ sở cho việc tổng hợp kim cương thành công đầu tiên.

Bridgman đã thực hiện các thí nghiệm áp suất cao, bao gồm phát triển một máy ép đặc biệt có thể tạo áp suất cao (đe Bridgman, Hình 3) và một loại miếng đệm tự hàn đặc biệt (con dấu Bridgman), cho phép các chất dưới áp suất không bị rò rỉ ra ngoài. của buồng. Ông nhận giải Nobel Vật lý năm 1946 vì những đóng góp cho nghiên cứu áp suất cao.

Mặc dù Bridgman không tổng hợp được kim cương (mặc dù đã cố gắng nhiều lần), thí nghiệm của ông đã trực tiếp dẫn đến sự tổng hợp cuối cùng của chúng bởi các nhà khoa học của General Electric Company (GE) vào năm 1955. Nếu không có những phát hiện của ông, công việc ở áp suất rất cao sẽ không thể thực hiện được.

Trong khi đó, các nhà nghiên cứu cũng hiểu rõ hơn về hoạt động của carbon, bao gồm cả cách nó hoạt động ở áp suất và nhiệt độ nhất định ( tức là khi nó ổn định như than chì và khi nó ổn định như kim cương).

Những xác định ban đầu về sơ đồ pha cacbon của Frederick D. Rossini và Ralph S. Jessup vào năm 1938 (được tinh chỉnh trong những năm tiếp theo) cho thấy kim cương là dạng cacbon có áp suất cao hơn, nhiệt độ thấp hơn, có khả năng hình thành ở độ sâu hơn 100 km.

Điều này liên quan đến khái niệm gradient địa nhiệt, tức là nhiệt độ tăng dần theo độ sâu ngày càng tăng bên dưới bề mặt trái đất (Hình 4). Điều này giúp nâng cao tầm quan trọng của áp suất trong việc tạo ra kim cương trong phòng thí nghiệm.

Đến những năm 1940, Thế chiến thứ hai đã gây nguy hiểm cho các kênh cung cấp kim cương tự nhiên của thế giới (vốn rất cần thiết cho các công cụ cắt công nghiệp) và cuộc đua phát triển kim cương trong phòng thí nghiệm đã diễn ra. Sự gia tăng sử dụng các công cụ kim loại cứng trong ngành công nghiệp vũ khí đòi hỏi phải có kim cương công nghiệp. Trên thực tế, đối với nhiều người, người ta tin rằng ai có thể giải quyết được vấn đề cung cấp kim cương sẽ giành chiến thắng trong cuộc chiến.

Tại Hoa Kỳ, GE đã triển khai 'Dự án Super Pressure' để nghiên cứu quy trình trồng kim cương. Trong khi đó, các nhà khoa học ở Thụy Điển đang thực hiện một dự án chế tạo kim cương có tên 'QUINTUS' tại ASEA ( Allmanna Svenska Elektrika Aktiebolaget )—còn được gọi là Công ty Điện lực Thụy Điển.

Tại thời điểm này, đây là những gì các nhà khoa học đã biết:

Kim cương được làm từ carbon.
Trong những điều kiện nhất định, than chì có thể biến thành kim cương đơn tinh thể.
Kim cương tự nhiên được tìm thấy trong các đường ống núi lửa đã tắt và được đưa lên bề mặt dưới dạng dung nham. Chúng hình thành ở độ sâu khoảng 200 km trong lòng đất, nơi có áp suất và nhiệt độ rất cao.
Những viên kim cương hình thành trong miệng hố thiên thạch cho thấy áp suất cao (được gợi ý bởi tác động của thiên thạch); các tinh thể kim cương được bao quanh bởi kim loại cho thấy cần có dòng kim loại để hòa tan cacbon để các nguyên tử cacbon tái tạo thành kim cương.
Than chì, dạng thù hình của kim cương, cực kỳ ổn định và có khả năng chống lại sự thay đổi. Ngay cả ở áp suất và nhiệt độ rất cao, các nguyên tử carbon không bị vỡ ra và tái tạo thành kim cương. Vì vậy, để tạo ra kim cương, các nhà khoa học sẽ phải tìm cách duy trì đồng thời nhiệt độ rất cao và áp suất rất cao

Giữa kim cương và than chì ( tức là các dạng thù hình cacbon), kim cương là cấu hình ổn định nhất của cacbon nguyên chất ở áp suất cao. Do đó, hầu hết các nỗ lực tổng hợp kim cương đều tập trung vào các phương pháp tăng trưởng HPHT.

Tuy nhiên, đồng thời vào những năm 1950, nghiên cứu bắt đầu về sự phát triển của kim cương ở điều kiện siêu bền ( tức là ở áp suất thấp). Nghiên cứu này bắt đầu ở Liên Xô và Hoa Kỳ bằng cách thử nghiệm sự phát triển của kim cương bằng phương pháp nhiệt phân (sự phân hủy do nhiệt độ cao) khí hydrocarbon ở nhiệt độ tương đối thấp 800 C (1472 F). Cuối cùng, quá trình áp suất thấp này được gọi là lắng đọng hơi hóa học (CVD).

1952: Thành công đầu tiên

Sự tổng hợp kim cương sinh sản thành công đầu tiên (bằng bất kỳ phương pháp nào) đã được thực hiện bởi William G. Eversole thuộc Tập đoàn Union Carbide trong khoảng thời gian từ 1952 đến 1953 (Hình 6). Anh ấy đã hoàn thành kỳ tích bằng cách sử dụng CVD áp suất thấp—không phải tăng trưởng HPHT. Eversole đã thành công trong việc lắng đọng kim cương trên nền kim cương từ carbon monoxide và hydrocarbon trọng lượng phân tử thấp. Công việc của ông là nền tảng cho nghiên cứu CVD.

Vậy tại sao thành tựu của Eversole không được chính thức công nhận là viên kim cương được trồng trong phòng thí nghiệm đầu tiên?

Đáng chú ý nhất là ông đã không báo cáo kết quả của mình cho đến một thập kỷ sau vào năm 1962. Ngoài ra, trong khi Eversole sản xuất thành công kim cương, quá trình tổng hợp ở áp suất thấp đã bị cản trở bởi tốc độ tăng trưởng cực kỳ chậm, không quá 0,1 micromet (ɥm) mỗi giờ. Quá trình này cũng được xem xét với một số hoài nghi về khả năng tồn tại thương mại của nó. Sau đó, cả đội Mỹ và Nga đều thành công trong việc tạo ra màng kim cương trên vật liệu kim cương và phi kim cương. Điều này dẫn đến những nghiên cứu và phát triển quy mô lớn về lớp phủ kim cương và carbon giống kim cương.

Do đó, bất chấp sự khởi đầu sớm này, việc tổng hợp kim cương bằng các phương pháp áp suất thấp như CVD chỉ bắt đầu tạo ra sự quan tâm đáng kể về mặt khoa học và kinh tế vào những năm 1980. Thay vào đó, người ta vẫn tập trung chủ yếu vào quá trình tổng hợp kim cương ở nhiệt độ cao, áp suất cao.

Tuy nhiên, với sự tập trung vào HPHT, đột nhiên có hai bước đột phá lớn xảy ra trong vòng một năm bởi hai nhóm độc lập ở các châu lục khác nhau.