فرایند پرفشار و کم‌فشار تولید الماس مصنوعی

در اواخر سال 1955 میلادی، رابرت ونتورف توانست کاری شبیه کیمیاگری بکند. او یک شیشه‌ی کَره‌ی بادام زمینی خرید، آن را به آزمایشگاه خود برد، کره را روی نان مالید، و توانست تکه‌ی کوچکی از آن را تبدیل به ذرات الماس کند. در همین زمان بود که ونتورف و سه تن از همکارانش در مرکز تحقیق و توسعه‌ی شرکت جنرال الکتریک در نیویورک توانستند قیر، زغال سنگ، چوب، و مواد دیگر حاوی کربن را تبدیل به ذراتی از الماس بکنند که اندازه‌ی آن‌ها از ریزی آرد گندم تا درشتی دانه‌های کنجد بود. این آزمایش‌های شگفت‌انگیز نشان دادند که هر ماده‌ای را می‌توان تبدیل به الماس کرد مشروط بر آن که به اندازه‌ی کافی دارای اتم‌های کربن باشد.
روش تولید الماس مصنوعی از مواد مختلف، به ویژه از گرافیت که معمول‌تر است، بدین ترتیب است که دماها و فشارهای بسیار زیادی را که در داخل زمین باعث تشکیل الماس می‌شوند به طور مصنوعی ایجاد می‌کنند. این فرایند گران‌قیمت توسط جنرال الکتریک در سال 1958 تجاری شد و از آن پس موجب پدید آمدن صنعتی به ظرفیت تولید نیم میلیارد دلار ذرات الماس در سال شد که فراورده‌های نهایی آن عبارتند از ابزارهای پوشش داده شده با الماس برای مته‌کاری و حفاری در معادن، و ابزارهای الماسه برای ماشین‌کاری دقیق قطعات اتوموبیل و قالب‌های مورد استفاده در صنایع سیم‌سازی.
ولی حتی قبل از آن که روش پرفشار جنرال الکتریک باعث پیدایش صنایع فوق شود پژوهشگران توجه خود را به فرایندی ارزان‌تر و کم‌فشارتر موسوم به رسوب بخار شیمیایی (CVD) معطوف کرده بودند. در این روش گازهای کربن‌داری مانند متان در محفظه‌هایی تحت فشار از یک اتمسفر تا یک هزارم اتمسفر در معرض دماهای بسیار زیاد قرار می‌گیرند و تجزیه می‌شوند. سپس اتم‌های کربن روی سطح موادی که در این محفظه قرار دارند ولی دمای آن‌ها کم‌تر است می‌نشینند. این روش، نسبت به روش جنرال الکتریک، احتیاج به فشارهایی بسیار کم‌تر (تا یک پنجاه هزارم) دارد. اما این تنها مزیت آن نیست، زیرا با این روش می‌توان تعداد بسیار بیش‌تری از مواد را با الماس پوشش داد.
بنا به پیش‌بینی جان آنگوس، مهندس شیمی، در آینده از الماس در موارد بسیاری استفاده می‌شود: در ظروف خانگی، در سرمته‌ها، در تیغ‌های ریش‌تراشی، در ماشین‌‌های کپی، و در دیسک‌های کامپیوتری سخت. به اعتقاد روستوم روی، متخصص علم مواد در دانشگاه پنسیلوانیا، کشف روش کم‌فشار بسیار مهم‌تر از کشف روش پرفشار است، زیرا با این روش می‌توان تقریباً هر چیزی را با الماس پوشش داد. به این ترتیب مهندسان می‌توانند خواص عالی الماس مانند مقاومت در برابر خراش و توانایی دفع گرما را به موادی که فاقد این ویژگی‌ها هستند اضافه کنند.
با وجود این که در قرن نوزدهم نیز در مورد ساخت الماس مصنوعی ادعاهایی شده بود ولی اولین قدم در راه تولید تجاری آن در سال 1955 برداشته شد، یعنی زمانی که ونتورف و همکارانش مقاله‌ی پرسروصدایی در این مورد در مجله‌ی نِیچر منتشر کردند. آن‌ها در این مقاله فرایندی را تشریح کردند که در آن گرافیت (ماده‌ی دوده‌ای شکل تمام کربنی مورد استفاده در نوک مدادها) به بلوری تمام کربنی که نشانه‌ی خلوص و کمال در طبیعت است تبدیل می‌شود. این واقعه برای مقامات دولتی آن‌قدر تکان دهنده بود که تا مدتی از انتشار خبر آن جلوگیری کردند.
فرایند جنرال الکتریک برای تولید الماس مستلزم ایجاد شرایط «جهنمی» یعنی دماهایی تا هزار و چهارصد درجه‌ی سانتیگراد و فشارهایی تا پنجاه هزار اتمسفر یا بیش‌تر است. متخصصان جنرال الکتریک می‌دانستند که این شرایط برای الماس قابل تحمل ولی برای گرافیت غیر قابل تحمل است. برای این کار محفظه‌هایی بسیار محکم باید ساخته می‌شدند که تحمل تنش‌های ناشی از چنین شرایطی را داشته باشند.
در دماهای کم‌تر، کربن ترجیح می‌دهد که ساختار گرافیت را داشته باشد، یعنی به شکل شش ضلعی‌هایی که اتم‌های آن دارای پیوندهای کووالانسی با یک‌دیگر هستند و تشکیل لایه‌های مولکولی روی هم انباشته می‌دهند. ولی گرافیت در شرایط حاد فرایند جنرال الکتریک قادر به حفظ شکل خود نیست. در حضور کاتالیزور فلزی و یک دانه یا جوانه‌ی کوچک الماس که در دمای زیر ذوب نگاه داشته شده است اتم‌های کربن گرافیت از یک‌دیگر جدا می‌شوند و از طریق فلز ذوب شده به طرف هسته‌ی الماس حرکت می‌کنند و با ایجاد پیوندهای کووالانسی، چهاروجهی‌های کاملاً یکنواخت و متفاوتی تشکیل می‌دهند.
در روش اولیه‌ی جنرال الکتریک، الماس‌های تولید شده خصوصیات الماس‌های طبیعی را نداشتند. به گفته‌ی ونتورف «اگرچه بلورهای تولید شده بسیار سخت بودند و درخشش داشتند ولی وجود ناخالصی‌ها آن‌ها را تیره و کدر می‌ساخت». الماس‌هایی که از دانه‌های بادام زمینی تولید شده بودند سبز کم‌رنگ بودند و این به خاطر حضور اتم‌های نیتروژن موجود در مولکول‌های پروتئین بود.
جنرال الکتریک بعداً روش خود را بهبود بخشید و توانست الماس‌های شفاف و زیبایی به قطرهایی از چند میکرون تا چند میلیمتر تولید کند. در سال 1970 میلادی دانشمندان جنرال الکتریک حتی موفق شدند با استفاده از ریزه‌های الماس به جای گرافیت، الماس‌هایی درشت با کیفیت خیلی خوب بسازند اگرچه هزینه‌ی این روش بسیار زیاد بود. فرایند ذکر شده امروزه نیز گران است، ولی استفاده از روش CVD با شرایط آسان‌تر آن، به صنعت تولید الماس مصنوعی جان تازه‌ای بخشید. موفقیت‌های چندین ساله‌ی اخیر در پوشش دادن بسیاری از اجسام با الماس، یکی از مهم‌ترین پیشرفت‌های تکنولوژی در سه دهه‌ی اخیر بوده است. بدون شک آثار این تکنولوژی از آثار تکنولوژی اَبَررساناها بیش‌تر خواهد بود.
میزان تولید الماس صنعتی در جهان، که به طور عمده در کشورهای امریکا، افریقای جنوبی، ژاپن، و روسیه تولید می‌شود بیش از سی‌صد میلیون قیراط در سال است. این مقدار برابر است با بیش از شصت تُن ذره‌ی ساینده‌ی الماس در سال که بازاری بیش از پانصد میلیون دلار در سال را به وجود می‌آورد. (تولید الماس طبیعی تقریباً نوزده تُن در سال است.) ولی اگر پیش‌بینی برخی از دانشمندان مواد و تحلیلگران اقتصادی درست از آب درآید این رقم به زودی افزایش چشم‌گیری تا بیش از یک میلیارد دلار برای الماس مصنوعی تولید شده در فرایند کم‌فشار پیدا می‌کند. یک شرکت ژاپنی رقمی شانزده برابر این مبلغ را پیش‌بینی کرده است.
این پیش‌بینی‌ها متکی بر استفاده از روش‌های جدیدی هستند که پژوهشگران برای پوشش دادن مواد گوناگون (از کاغذ گرفته تا سیلیسیم) به وسیله‌ی فیلم الماس ابداع کرده‌اند. با توجه به این که الماس سخت‌ترین ماده‌ی شناخته شده است، یک لایه‌ی پوشش شفاف الماس، محافظ دائمی وسایلی مانند عینک، بلورهای ساعت مچی، و سطوح دیگر خواهد بود. سطح یک دیسک سخت کامپیوتری را که با سرعت زیادی می‌چرخد می‌توان با الماس پوشش داد و آن را در برابر برخوردهای اتفاقی با هد کامپیوتر محافظت کرد.
از آن‌جا که الماس نور را جذب نمی‌کند محافظی ایده‌آل برای الیاف نوری و هم‌چنین حس‌گرهای تابش در تجهیزات فضایی خواهد بود. مهندسان هم‌چنین درصدد استفاده از پوشش الماس به عنوان یک روان کننده‌ی بادوام در بعضی از اجزای ماشین‌ها، مانند یاتاقان هستند. الماس تقریباً بهترین دفع کننده‌ی گرماست، با چیزی واکنش نمی‌کند مگر در دماهای خیلی زیاد، و هم‌چنین در برابر جریان برق عایقی عالی است. بنا بر این مهندسان قادر خواهند بود با استفاده از پوشش الماس و دفع کننده‌های گرمایی ساخته شده از الماس، تراشه‌هایی الکترونیکی بسازند که در دماهای زیاد کارایی خوبی دارند. برخی از دانشمندان حتی پیش‌بینی می‌کنند که برای ساخت تراشه‌های الکترونیکی سریع‌تر، از انواع نیمه‌رساناهای الماس، به جای سیلیسیم، استفاده شود. اگر بتوان الماس را نیمه‌رسانا کرد می‌تواند بهترین نیمه‌رسانا باشد. چند آزمایشگاه توانسته‌اند با رشد دادن الماس مصنوعی در حضور عنصر بور، بلورهایی از الماس تولید کنند که رفتاری شبیه به نیمه‌رساناها دارند. ولی این بلورها را به علت داشتن نواقص ساختاری هنوز نمی‌توان به نحو مؤثری در مدارهای الکترونیکی به کار برد.
توجه زیاد به الماس مصنوعی به منزله‌ی ماده‌ای نسبتاً جدید در مهندسی، نتیجه‌ی پیش‌رفت‌هایی است که در روش تولید آن صورت گرفته است. روش‌های جدید به قدری آسان‌اند که دانشمندان تا چند دهه‌ی پیش حتی تصور آن را هم نمی‌کردند. روش CVD که قبل از اعلام فرایند جنرال الکتریک در دهه‌ی 1950 ابداع شده بود هم‌اکنون یکی از روش‌های کم‌فشار تولید الماس مصنوعی است. اگرچه در این فرایندها ممکن است دما به چندین برابر دمای فرایندهای پرفشار برسد ولی فشار لازم در آن‌ها به آسانی قابل دست‌یابی است و ممکن است درحدود هزارم اتمسفر باشد.
در سال 1952 میلادی ویلیام اورسول از شرکت یونیون کارباید اعلام کرد که با استفاده از فرایند CVD الماس مصنوعی ساخته است، ولی سرعت آن فرایند بسیار کم بود. او قطعات ریز الماس را در خلأ جزئی تا شش‌صد درجه‌ی سانتیگراد حرارت داد. در این شرایط، متان تجزیه می‌شود و روی سطوح داغ ذرات الماس لایه‌های جدیدی از الماس می‌نشینند. چهار سال بعد، دانشمندان روس به رهبری بوریس دریاگین تحقیقات وسیعی را در این زمینه آغاز کردند. در سال‌های دهه‌ی 1960 میلادی، پژوهشگران در امریکا و روسیه به روش‌های تولید الماس مصنوعی در فشارهای پایین دست پیدا کردند ولی بلورهای تولیدی آن‌ها با سرعت بسیار کمی رشد می‌کردند. این سرعت عموماً یک درصد میکرون در ساعت بود. با این سرعت، بیش از یازده سال طول می‌کشید تا یک لایه‌ی الماس به ضخامت یک سکه تولید شود. در سال 1976 گروه دریاگین اعلام کرد که الماس مصنوعی را در فشار کم و با سرعت رشد زیاد تولید کرده است ولی به علت این که روس‌ها روش خود را مخفی نگاه می‌داشتند دانشمندان امریکایی به ادعای آن‌ها توجه زیادی نشان نمی‌دادند. اما ژاپنی‌ها این مسأله را جدی گرفتند و تحقیق در این زمینه را آغاز کردند. انستیتوی ملی پژوهش در مواد غیر آلی (NIRIM) ژاپن با انتشار سلسله مقالاتی در مورد تولید فیلم الماس مصنوعی در فشارهای کم، عملی بودن رشد سریع الماس (یک میکرون در ساعت) را نشان دادند و شرایط ایجاد آن را ذکر کردند. پژوهشگران در کشورهای دیگر در این زمینه از ژاپنی‌ها پیروی کردند. شاید بتوان گفت که صنعت الماس‌سازی، شکوفایی فعلی خود را مدیون تلاش‌های اولیه‌ی ژاپنی‌هاست.
ژاپنی‌ها موقعیت رهبری خود را در زمینه‌ی تجاری کردن این صنعت نیز حفظ کرده‌اند. روستوم روی، متخصص امریکایی مواد، پس از بازدید از نمایشگاه‌های الماس‌سازی NIRIM در سال 1984، مقامات دفتر تحقیقات نیروی امریکا را متقاعد کرد که از تحقیقات CVD حمایت مالی کنند. به گفته‌ی روی، مبلغی که از طرف دولت به این کار اختصاص داده شد بین ده تا پانزده میلیون دلار است، در حالی که برای پژوهش درباره‌ی ابررساناها مبلغ دویست و بیست میلیون دلار اختصاص داده شد که به اعتقاد او آینده‌ی صنعتی و اقتصادی آن به خوبی صنعت تولید الماس مصنوعی به روش CVD نیست.
جزئیات مکانیزم فیزیکی و شیمیایی فرایند CVD هنوز ناشناخته باقی مانده است، ولی بیش‌تر با روش آزمون و خطا موفق به کشف شرایط مطلوب شده‌اند. به گفته‌ی یکی از متخصصان جنرال الکتریک، کافی است پژوهشگری اطلاعاتی راجع به ساختمان بلورها داشته باشد و بتواند حدس‌های خوبی بزند. اکثر پیش‌رفت‌ها در این زمینه نه به وسیله‌ی نظریه‌پردازان بلکه به وسیله‌ی دانشمندان موادی که درک حسی خوبی داشته‌اند صورت گرفته است.
گازهای کربن‌دار به محفظه‌ی خلأ وارد می‌شوند. در داخل این محفظه، یک منبع گرمازا، مثلاً رشته‌ی تنگستن یا پلاسمای ایجاد شده به وسیله‌ی میکروموج، گاز کربن‌داری را که در جریانی از گاز هیدروژن قرار دارد تجزیه می‌کند. سپس ذرات کربن روی سطوح قطعاتی که در داخل محفظه در دمای بین شش‌صد تا نُه‌صد درجه‌ی سانتیگراد قرار دارند می‌نشینند. با تنظیم نسبت هیدروژن و هیدروکربن، فشار داخل محفظه، و دمای قطعات پایه (که الماس باید روی آن‌ها بنشیند)، پژوهشگران توانسته‌اند فیلم‌های الماس را با سرعت بیش از صد میکرون در ساعت روی سطح قطعات مواد پایه‌ی مختلف و پیچیده رشد دهند. هزاران ذره‌ی کوچک الماس روی سطوح انباشته می‌شوند و سپس به یک‌دیگر می‌پیوندند و تشکیل فیلم بلوری پیوسته‌ای را می‌دهند (منظور از فیلم، لایه‌های بسیار نازک است).
امروزه به راحتی فیلم و پوشش الماس تولید می‌کنند. پوشش‌های الماسی فاقد نظم بلوری الماس هستند به دلیل آن که حاوی اتم‌های هیدروژن هستند که نظم شبکه‌ی آن‌ها را به‌هم می‌زنند، یا به این دلیل که اتم‌های کربن آن‌ها به طور اتفاقی به هم متصل شده‌اند. پوشش‌های الماسی اگرچه از فیلم الماس ناقص‌ترند ولی می‌توان آن‌ها را روی سطوحی که در دماهای معمولی (دمای اتاق) قرار دارند اعمال کرد و سطوح صیقلی ایجاد نمود.
محصولات تجاری فرایند CVD به بازار عرضه می‌شوند. دوست‌داران موسیقیِ باکیفیتِ خوب، که پول فراوانی هم داشته باشند می‌توانند بلندگوهایی بخرند که دارای دیافراگم الماسی هستند. این محصول به وسیله‌ی شرکت سومی‌تومو برای شرکت سونی ساخته شد. شرکت سیکو نیز ساعت‌های مچی ضدخش با بلورهای پوشش داده شده با الماس ساخت. شرکت امریکایی کریستالوم شیشه‌های دارای پوشش الماس برای ردیابی با پرتو فروسرخ می‌فروشد که در ابزارهای دقیق و هم‌چنین سیستم‌های هدایت موشک کاربرد دارد. دانشمندان آی‌بی‌ام از فرایند CVD برای ساختن صافی‌های نوری تولید شده از الماس استفاده می‌کنند. آن‌ها امیدوار بودند که از این صافی‌ها اجزای الکترونیکی کوچک‌تری بسازند. چند سال پیش شرکت جنرال الکتریک اعلام کرد که مشغول تلفیق فرایند CVD با فرایند پرفشار خود برای تولید الماس‌هایی است که توانایی زیادی در دفع گرما دارند و در مقابل تابش لیزر نیز می‌توانند مقاومت کنند.
روش‌های شبیه به کیمیاگری تولید الماس، هم‌چنان درحال افزایش‌اند. سال‌ها قبل یک محقق ژاپنی اعلام کرد که توانسته است فیلم الماس را روی سطح فلزی سرد شده‌ای ایجاد کند که در معرض شعله‌ی مشعل اکسی استیلن قرار گرفته بود. این تجربه در آزمایشگاه تحقیقات نیروی دریایی امریکا نیز تکرار شد. محققان این آزمایشگاه آینده‌ی خوبی را برای روش CVD پیش‌بینی کردند. فرایند دقیق CVD هرچه باشد دانشمندان علم مواد متفق‌القولند که تولید الماس در فشارهای کم در آینده صنعت بزرگی خواهد شد، ولی این کار به آسانی سرانجام نخواهد گرفت. شیمی‌دان‌ها، دانشمندان علوم اپتیک، مهندسان برق، و دانشمندان علم مواد باید توانایی‌های خود را یک‌جا جمع کنند تا این تکنولوژی را از مقیاس آزمایشگاهی به مقیاس صنعتی تبدیل کنند. این تکنولوژی نسبتاً نوپا احتیاج به حمایت مالی همه‌جانبه دارد تا به صنعتی ملی تبدیل شود. با توجه به این که صنعتی شدن این فناوری مستلزم آن است که فیلم الماس تولید شده دارای خواص قابل پیش‌بینی و قابل تکرار باشد، باید اصول اولیه‌ی فیزیکی و شیمیایی که در فرایند تولید الماس مصنوعی دخالت دارند کاملاً شناخته شوند.