Да ли вам је пало на памет да је угљеник врло необичан? То не би баш свако помислио, јер живимо у „угљеничном окружењу” – све у нама, око и поред нас садржи угљеник, додуше, у разним хемијским облицима.
Проф. др Слободан Маринковић
Али и чист чврст угљеник може да вас превари – ставимо један поред другог комад обичног црног индустријског графита и блештави кристал дијаманта. И један и други су исти, а толико различити… Откуда то да је угљеник такав?
Одговор лежи у електронској структури атома која чини да су у једном случају они уређени на један, у другом на други начин – а у том другом (дијаманту) врло чврсто међусобно везани усмереним везама исте јачине.
Било је распрострањено веровање
да је дијамант немогуће добити
на ниском притиску.
Дијамант (од старогрчког adams – несаломиви) најбољи је познати проводник топлоте; има највиши модул еластичности од свих материјала. Када се у њега уведе мало бора, од квалитетног електричног изолатора постаје полупроводник, а с највећом концентрацијом понаша се као метал. Посебно је интересантно уграђивање бора, које чини да дијамант од електричног изолатора (отпорност ~1013Ω cm) постане семиметал (отпорност ~10-3Ω cm). Дакле, отпорност се уграђивањем бора (В) промени 10 милиона милијарди пута (1016). Али и друге особине дијаманта су, благо речено, необичне, што није чудно јер једне ванредне особине повлаче за собом друге.
Због таквих одлика људи су покушавали да дијамант направе убрзо после првих ископавања у Јужној Африци (1870), али то никако није ишло. Тешкоћа је у тзв. фазном дијаграму угљеника, према коме је на ниском притиску стабилна фаза графит, а не дијамант.
С друге стране, да би синтеза дијаманта на високом притиску била довољно брза, било би неопходно да се процес дешава на високој температури; уколико је температура виша, потребан је (опет према фазном дијаграму) и виши притисак. Дакле, потребно је једновремено имати и висок притисак и високу температуру.
Годишње сто тона
Очигледно је да поменуте услове није лако постићи, тако да је такав поступак уведен тек пре нешто више од пола века. Отада се велика количина дијаманата (главнина произведеног) добија овим поступком (око 100 тона годишње, што је више од укупно ископаног још од библијских времена).
Све у свему, постигнуто је да
се (стабилан) графит троши, а
(метастабилан) дијамант настаје.
Главна комерцијална технологија синтезе дијаманта јесте каталитички процес у коме се графит подвргава високом притиску (4,5-6 гигапаскала или GPa, тј. 45.000-60.000 бара) и високој температури (1.350-1.600 Целзијусових степени) у присуству металног катализатора (легуре гвожђа, кобалта или никла) у којем се угљеник раствара. Добијени дијамант је претежно у облику малих кристала величине испод једног милиметра, слично ископаном диjаманту.
Графит (лево) и угљеник (Википедија)
Синтеровањем смеше ситних кристала с погодним везивом на високом притиску може се произвести материјал погодан за израду алата за обраду различитих материјала, што је најпре и била главна примена дијаманта. Тек пре двадесетак година почела је примена синтерованог дијаманта за одвођење топлоте код електронских уређаја велике снаге (ласерске диоде, микроталасни уређаји).
Било је распрострањено веровање да је дијамант немогуће добити на ниском притиску. Међутим, Спицин и Дерјагин у СССР-у (1956) и Еверсоле у САД (1958) први су то постигли, мада мало и споро да готово нико није ни обратио пажњу. Наведени руски истраживачи су први схватили у чему је зачкољица, зато се нови поступак (1971) битно разликовао од претходног увођењем – активне гасне смеше.
Наиме, употребили су само графит који је на био много вишој температури (2.000 степени) од врло близу (приближно милиметар) постављене подлоге у атмосфери водоника. Тиме је постигнуто да се створи активна гасна смеша, јер је на 2.000 степени водоник реаговао с графитом, чиме су добијени јако активан атомски водоник, ацетилен и радикали (групе атома, С2Н).
На подлози је добијен чист дијамант, и то брзином која је била 1.000 пута већа него раније. Све у свему, постигнуто је да се (стабилан) графит троши, а (метастабилан) дијамант настаје.
До експлозије интересовања дошло је тек почетком осамдесетих, после рада јапанских аутора који су направили први апарат за метод усијаног влакна. Иако је у међувремену осмишљен велики број поступака, сви имају доста заједничког. Да би се створила активна гасна смеша, користи се, по правилу, смеша неког угљоводоника (обично метан) и водоника (који је у великом вишку); ако постоји и кисеоник, количине водоника и кисеоника морају бити приближно једнаке. С друге стране, хемијски облик улазне гасне смеше није битан.
Атом по атом
А шта је, заправо, активна гасна смеша? То је неравнотежна, неизотермска нискотемпературска плазма, у којој постоје хемијски активни молекули и радикали с повећаном енергијом (да наведемо неке: С, С2Н, СН3, С2Н2, СН3+ и тако редом). То не значи да све ове активне врсте морају да буду заступљене. Напротив, израчунавања су показала да само једна гасна врста и један механизам могу да доведу до настајања дијаманта.
Када дођу у додир с подлогом која је на знатно нижој температури, састојци смеше реагују с њеним атомима. Те реакције доводе до различитих производа, од којих је један нуклеус (клица) дијаманта. Даљим реакцијама нуклеуса са активном смешом доћи до раста и настанка кристала дијаманта.
Новост у оваквој синтези дијаманта заиста је крупна, jeр омогућује нешто о чему je доскора могло само да се машта. Први пут у историји постало је могуће начинити дијамантску плочу, и то без грешака у структури, што је одмах нашло примену за дијамантске ласерске прозоре оптичког квалитета. Даље, може се направити дијамант на другом материјалу и то да не буде било чиме и било како „залепљен”, него да на месту споја долазе атом по атом угљеника и смештају се на једно од места која нормално заузимају атоми првобитног материјала.
За разлику од многих примена које захтевају велике појединачне правилне кристале, има уређаја који користе поликристални дијамант (велики број ситних дијамантских кристала). Један од њих је раван електронски екран. За разлику од других материјала, дијамант има „негативни” електрични афинитет, тј. емитује електроне чим се на њега доведе минималан негативан елeктрични потенцијал. A дијамантски екрани који користе хладну катоду за емисију електрона имају низ предности у односу на екране који користе течне кристале.
