Úvod
Vysokotlaká vysokoteplotní (HPHT) syntéza byla první metodou použitou k výrobě diamantů drahokamové kvality v laboratoři. Princip je koncepčně přímočarý: napodobit podmínky, za kterých se tvoří přírodní diamanty hluboko v Zemi — extrémní tlak a extrémní teplotu — a nechat uhlík krystalizovat na zárodečném krystalu diamantu v kontrolovaném prostředí.
Proces byl původně vyvinut pro výrobu průmyslových diamantů v 50. letech 20. století. Drahokamové HPHT diamanty se komerčně prosadily později a dnes tato metoda produkuje kameny přesahující 10 karátů v drahokamové kvalitě. Dominantním výrobcem je Čína, následovaná Ruskem a Indií.
Tento článek vysvětluje růstový proces, použitá zařízení, potřebné podmínky a vlastnosti, které odlišují HPHT diamanty od přírodních kamenů i od diamantů vyrostlých alternativní metodou CVD.
Růstový proces
Výchozí materiály
Růstová buňka HPHT obsahuje tři nezbytné složky:
- Zdroj uhlíku — typicky vysoce čistý grafit
- Kovový tavidlový katalyzátor — slitina železa, niklu a kobaltu (Fe-Ni-Co), která při vysokých teplotách slouží jako rozpouštědlo uhlíku
- Zárodečný krystal diamantu — malý, předem existující diamant, na kterém bude nový krystal růst
Zárodek je umístěn na chladnějším konci růstové buňky, zdroj uhlíku na teplejším konci a kovové tavidlo vyplňuje prostor mezi nimi. Když buňka dosáhne provozních podmínek, tavidlo se roztaví a rozpouští uhlík z grafitového zdroje. Protože zárodek leží při mírně nižší teplotě, uhlík se z roztoku tavidla vysráží a usazuje na zárodku — atom po atomu buduje diamantový krystal.
Podmínky
- Tlak: 5–6 gigapascalů (GPa) — přibližně 50 000 až 60 000násobek atmosférického tlaku. To odpovídá podmínkám v hloubce 150–200 km v zemském plášti.
- Teplota: 1 300–1 600 °C — dostatečná k roztavení kovového tavidla a udržení uhlíku v roztoku.
- Doba růstu: Hodiny až několik týdnů v závislosti na požadované velikosti a kvalitě krystalu. Větší a kvalitnější krystaly vyžadují pomalejší a pečlivěji kontrolovaný růst.
Typy lisů
V komerční výrobě HPHT diamantů se používají tři typy mechanických lisů:
Pásový lis (belt press). Původní konstrukce vyvinutá společností General Electric v 50. letech. Dvě protilehlé kovadliny stlačují růstovou buňku umístěnou v prstenci z předpjatých ocelových kroužků. Spolehlivý a dobře prozkoumaný, ale omezený v udržitelných tlacích a objemech pro velké drahokamové kameny.
Kubický lis. Šest kovadlin uspořádaných podél tří os stlačuje růstovou buňku ze všech směrů současně. Tato geometrie dosahuje rovnoměrnějšího rozložení tlaku než pásový lis a dokáže produkovat větší krystaly. Široce používaný v čínských výrobních závodech.
Lis BARS (split-sphere). Vyvinut v Rusku, tento design využívá systém kovadlin s rozdělenou sférou k vytvoření tlaku. Je efektivní, relativně kompaktní a schopný produkovat vysoce kvalitní drahokamové krystaly. Zkratka pochází z ruského názvu „Barometrický přístroj ruských vědců."
Růst krystalu a morfologie
Přírodní diamanty rostou převážně jako oktaedrické krystaly — klasický osmistěnný tvar určený kubickým krystalovým systémem za podmínek přírodního pláště. HPHT diamanty vykazují odlišný habitus: kuboktaedrický, kombinující plochy krychle a oktaedru. Tento rozdíl v růstové morfologii vytváří odlišné vnitřní růstové sektory viditelné pod specializovaným zobrazováním.
Růstové sektory jsou důležité, protože ovlivňují způsob inkorporace stopových prvků. Dusík se například může koncentrovat v určitých sektorech a v jiných ne, což vytváří barevné zónování, které u přírodních diamantů chybí nebo se liší. Pomocí nástrojů pro UV fluorescenční zobrazování, jako je DiamondView, patří tyto sektorové vzory k nejspolehlivějším indikátorům HPHT původu.
Charakteristické rysy
Kovové tavidlové inkluze
Nejcharakterističtějším rysem HPHT diamantů je přítomnost kovových tavidlových inkluzí — drobných částic slitiny Fe-Ni-Co zachycených uvnitř krystalu během růstu. Pod zvětšením se tyto inkluze jeví jako tmavé a neprůhledné a někdy mohou způsobit slabý magnetismus diamantu — vlastnost, která se u přírodních diamantů prakticky nevyskytuje.
Ne všechny HPHT diamanty obsahují viditelné kovové inkluze. Kvalitnější růstové podmínky produkují čistší kameny, ale potenciál výskytu kovových stop je tavidlové metodě vlastní.
Barevné varianty
Barva HPHT diamantu po růstu závisí především na složení atmosféry uvnitř růstové buňky:
- Žlutá: Dusík ze vzduchu vstupuje do krystalové mřížky. To byla nejčastější barva v rané HPHT výrobě. Dusík vytváří diamant typu Ib (izolované atomy dusíku), který je v přírodě extrémně vzácný.
- Bezbarvý: Dosažen kontrolou růstového prostředí s vyloučením dusíku. Vyžaduje bezkyslíkovou atmosféru a pečlivé řízení procesu.
- Modrý: Produkován zavedením boru do růstového prostředí, čímž vzniká diamant typu IIb.
Postproduktivní úpravy mohou barvu dále modifikovat. Ozáření následované žíháním dokáže z HPHT výchozího materiálu vytvořit růžovou, zelenou a další fantazijní barvy.
Absence přírodních minerálních inkluzí
Přírodní diamanty často obsahují minerální inkluze — granát, olivín, pyroxen — zachycené během formování v plášti. Tyto inkluze jsou geologickými otisky prstu. HPHT diamanty je nikdy neobsahují. Absence přírodních minerálních inkluzí v kombinaci s přítomností kovového tavidla je silným indikátorem laboratorního původu.
Rozsah a zeměpis výroby
Čína dominuje výrobě HPHT diamantů a zajišťuje většinu světové produkce. Technologie dozrála do bodu, kdy drahokamové HPHT diamanty přesahující 10 karátů nejsou ničím neobvyklým. Významnými producenty jsou rovněž Rusko (zejména New Diamond Technology) a Indie.
Výrobní náklady klesly s vylepšováním technologie lisů a rozšiřováním výroby. Tento pokles nákladů je jedním z faktorů celkového snižování cen laboratorních diamantů.
Často kladené otázky
Jak dlouho trvá výroba HPHT diamantu v laboratoři?
Doba růstu se pohybuje od několika hodin po několik týdnů v závislosti na velikosti a kvalitě požadovaného krystalu. Větší kameny drahokamové kvality vyžadují pomalejší a pečlivěji kontrolovaný růst.
Mohou být HPHT diamanty bezbarvé?
Ano. Vyloučením dusíku z růstového prostředí výrobci vytvářejí bezbarvé HPHT diamanty. To vyžaduje pečlivou kontrolu atmosféry, protože dusík je nejčastější nečistotou při růstu diamantů.
Jak rozpoznáte HPHT diamant od přírodního?
Kovové tavidlové inkluze, kuboktaedrické růstové sektory (viditelné pod zobrazováním DiamondView) a specifické spektroskopické signatury odlišují HPHT diamanty od přírodních kamenů. Některé HPHT diamanty jsou také slabě magnetické díky zachycenému kovovému tavidlu. Viz Mikroskopické indikátory a Fluorescenční zobrazování.
Jaký je největší HPHT diamant, který byl kdy vyroben?
Drahokamové HPHT diamanty přesahující 10 karátů byly vyrobeny a u největších hlášených kamenů se velikost blíží 15–20 karátům. Maximální dosažitelná velikost se s vylepšováním technologie lisů stále zvyšuje.
Shrnutí
HPHT syntéza diamantů napodobuje podmínky zemského pláště v mechanickém lisu — rozpouští uhlík v roztaveném kovovém tavidle za tlaku 5–6 GPa a teploty 1 300–1 600 °C a pak jej nechá krystalizovat na zárodečném krystalu diamantu. Proces vytváří pravé diamanty s charakteristickými rysy: kuboktaedrické růstové sektory, potenciální kovové tavidlové inkluze a barva určená složením atmosféry. Komerční výrobě slouží tři typy lisů (pásový, kubický a BARS), přičemž dominantním výrobcem je Čína. Metoda je vyspělá, škálovatelná a schopná produkovat drahokamové kameny, které se vzhledově vyrovnají těm nejlepším přírodním diamantům — rozlišitelné pouze vnitřními signaturami svého laboratorního původu.