تُستخدم الماسات عديمة اللون المصنعة بتقنية الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية في صناعة المجوهرات (صورة: جيانشين "جاي" لياو/معهد الأحجار الكريمة الأمريكي).
اليوم، أصبحت الألماس المصنّع في المختبرات متطابقة تقريباً مع الألماس الطبيعي من حيث التركيب البلوري ومعظم الخصائص الفيزيائية، مما يفتح العديد من التطبيقات خارج نطاق صناعة المجوهرات.
الألماس هو شكل بلوري من الكربون، وهو أصلب مادة طبيعية معروفة على الإطلاق. وبفضل خصائصه الميكانيكية والحرارية والبصرية المتميزة، يُجرى البحث حاليًا عن تطبيقاته في العديد من المجالات التكنولوجية.
تشكلت معظم الماسات الطبيعية منذ حوالي 1-3.5 مليار سنة في وشاح الأرض، تحت منصات قارية قديمة مستقرة (كراتونات)، على أعماق تتراوح بين 140-200 كيلومتر.
هنا، تتسبب درجات الحرارة التي تتراوح بين 900 و1300 درجة مئوية، بالإضافة إلى الضغط العالي للغاية – الذي يعادل حوالي 50000 إلى 70000 ضعف الضغط الجوي – في ترابط ذرات الكربون معًا لتشكيل شبكات بلورية من الماس. وتنمو هذه البلورات ببطء شديد على مدى ملايين السنين.
لا تظهر الماسات بالقرب من سطح الأرض إلا عندما يتم جلبها من أعماق الأرض بواسطة تدفقات الصهارة أثناء ثوران الكيمبرلايت أو اللامبرويت.
أدت عملية التكوين الطويلة والظروف الجيولوجية النادرة إلى محدودية إمدادات الألماس الطبيعي. وقد دفع هذا العلماء إلى تطوير تقنية لإنتاج الألماس في المختبر.
كيف يتم تصنيع الألماس الصناعي؟
وفقًا للبروفيسورين تريسي روشمر وريتش ميلدرين من جامعة ماكواري (أستراليا)، توجد حاليًا تقنيتان رئيسيتان لإنتاج الماس الصناعي: HPHT (الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية) وCVD (الترسيب الكيميائي للبخار).
تُستخدم الماسات عديمة اللون المصنعة بتقنية الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية في صناعة المجوهرات (صورة: جيانشين “جاي” لياو/معهد الأحجار الكريمة الأمريكي).
في طريقة الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية، يضع العلماء قطعة صغيرة جدًا من الماس كـ “بذرة” في بيئة غنية بالكربون، ثم يخلقون ظروف ضغط ودرجة حرارة عالية للغاية لمحاكاة البيئة التي يتشكل فيها الماس بشكل طبيعي.
تحت تأثير الحرارة والضغط، تتبلور ذرات الكربون حول نواة الماس، مما يسمح للبلورة بالنمو بمعدل 1 ملم تقريبًا في اليوم. بعد الحصول على ماسة جديدة، يُقطع جزء صغير منها ليُستخدم كنواة لدورات الإنتاج اللاحقة.
في الوقت نفسه، تستخدم طريقة الترسيب الكيميائي للبخار خليطًا من غاز الميثان والهيدروجين في غرفة مفرغة من الهواء.
يتم إنتاج الماس بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار في المختبر (صورة: مجوهرات أرضية).
تستخدم مصادر الطاقة، مثل البلازما أو الموجات الدقيقة، لفصل ذرات الكربون عن غاز الميثان. ثم تترسب هذه الذرات على سطح نواة الماس، مكونة طبقات متتالية من البلورات. وتُكرر هذه العملية مرات عديدة لإنتاج كتلة من الماس بسماكة عدة ملليمترات أو أكثر.
من حيث البنية البلورية والتركيب الكيميائي ومعظم الخصائص الفيزيائية، فإن الألماس الصناعي يكاد يكون مطابقاً للألماس الطبيعي. لذلك، يصعب التمييز بينهما بالعين المجردة أو باستخدام عدسة مكبرة خاصة بالجواهرجي.
ولتمييز الألماس الطبيعي عن الألماس الصناعي، غالباً ما يضطر الخبراء إلى استخدام معدات تحليلية متخصصة (صورة: iStock).
تم تسويق تقنية تصنيع الماس باستخدام طريقة الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية في منتصف الخمسينيات من القرن الماضي. ومنذ ذلك الحين، أصبحت عملية الإنتاج أكثر كفاءة، مما أدى إلى خفض التكاليف بشكل كبير.
أصبحت الألماس المصنّع أرخص بكثير من الألماس الطبيعي، حيث يقل سعره في كثير من الأحيان بنسبة تتراوح بين 70 و80%، وذلك لعدم اعتماده على الموارد الطبيعية وانخفاض تكاليف استخراجه. ومع الزيادة السريعة في الإنتاج خلال السنوات الأخيرة، يستمر سعر هذه الأحجار في الانخفاض.
ليس فقط لصناعة المجوهرات.
وبعيداً عن سوق المستهلكين، يتم استخدام الألماس الصناعي بشكل متزايد في مجموعة واسعة من المجالات التكنولوجية.
بفضل موصليته الحرارية العالية للغاية، وقدرته العالية على تحمل الطاقة، ونطاق نقله البصري الواسع، أصبح الماس مادة واعدة لأنظمة الليزر عالية الطاقة والمكونات البصرية.
في مركز أبحاث الفوتونيات بجامعة ماكواري، يقوم العلماء بتطوير أنظمة ليزر باستخدام مواد الماس لأغراض الرصد البيئي والطب والرعاية الصحية والبحوث الفلكية.
كما يجري دراسة الماس الاصطناعي لتقنيات الكم، وخاصة تلك القائمة على مراكز عيوب النيتروجين والفراغ (NV)، مع تطبيقات محتملة في الحوسبة الكمومية، وأجهزة الاستشعار فائقة الحساسية، وأنظمة التصوير فائقة الدقة.
يتمثل اتجاه تطويري آخر في تصنيع رقائق الماس الاصطناعي لاستخدامها كمشتتات حرارية للمكونات الإلكترونية عالية الطاقة. وبفضل موصليتها الحرارية الفائقة، تساعد هذه المواد الأجهزة الإلكترونية على العمل بثبات أكبر وتحسين أدائها.
المصدر: