...

เพชรสังเคราะห์ได้อย่างไร

การสังเคราะห์เพชรสามารถทำได้โดยวิธีเฟสก๊าซ (เช่น PVD หรือ CVD) วิธีเฟสของเหลว (เช่น ความดันสถิต วิธีเร่งปฏิกิริยา หรือวิธีเฟสของเหลว CVD) หรือวิธีเฟสของแข็ง

วิธีเฟสแข็งคือการสังเคราะห์เพชรในวัสดุโดยไม่มีของเหลว อะตอมคาร์บอนแข็งไม่สามารถจัดโครงสร้างใหม่ให้เป็นโครงสร้างของเพชรได้ผ่านการแพร่กระจายของไหล แต่จะต้องถูกแปลงเป็นเพชรโดยตรงโดยไม่ต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา。การเปลี่ยนผ่านช่วงนี้ (Phase Transition)เป็นแบบเคลื่อนย้าย (Displacive)นี่แตกต่างโดยสิ้นเชิงจากการเปลี่ยนสถานะซึ่งอะตอมจะแตกตัวแล้วกลับมารวมตัวกันใหม่ (Reconstructive) การเปลี่ยนเฟสของการเคลื่อนตัวเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว เนื่องจากอะตอมไม่จำเป็นต้องแพร่กระจายและจัดระเบียบใหม่ เนื่องจากเวลาในการสังเคราะห์สั้น จึงสามารถสังเคราะห์ได้ทันที (ไม่กี่ไมโครวินาที) โดยการคายประจุตัวเก็บประจุภายใต้แรงดันคงที่ หรือสังเคราะห์ได้ทันทีโดยใช้แรงดันสูงในระยะสั้นและอุณหภูมิสูงที่เกิดจากการระเบิดของวัตถุระเบิด วิธีแรกนั้นไม่สามารถใช้งานได้จริง เนื่องจากถูกจำกัดด้วยปริมาตรของห้องแรงดันสูง ดังนั้น จึงสามารถผลิตผงเพชรอุตสาหกรรมจำนวนมากได้โดยวิธีการระเบิด

ประเภทของวิธีการระเบิด

แรงดันสูงเปลี่ยนกราไฟท์ให้กลายเป็นเพชร เมื่อวัตถุระเบิดระเบิดและกลายเป็นไอ คาร์บอนที่เหลือและอะตอมของธาตุอื่น ๆ จะชนกันจนกลายเป็นตะกรันขนาดนาโน (3-10 นาโนเมตร) (เขม่าระเบิด) ตะกรันนี้มีสาร DLC (Diamond Like Carbon) กระบวนการนี้จะคล้ายกับวิธี PVD แบบแรกใช้การระเบิดของแก๊สเพื่อชนอะตอมคาร์บอนจำนวนมากเข้าด้วยกันเพื่อสร้างอนุภาคนาโน ในขณะที่แบบหลังใช้สนามไฟฟ้าเพื่อชนไอออนคาร์บอนที่ระเหยอยู่อย่างต่อเนื่องกับพื้นผิวเพื่อสร้างฟิล์มที่ประกอบด้วยอนุภาคนาโน

การสังเคราะห์วัตถุระเบิด

วัตถุระเบิดที่ใช้ในวิธีการระเบิดควรมีปริมาณคาร์บอนสูงและมีออกซิเจนและสิ่งเจือปนอื่นๆ ต่ำ (เช่น TNT, RDX, HMX เป็นต้น) เมื่อวัตถุระเบิดนี้ถูกจุดชนวนในห้องปิดที่ไม่มีออกซิเจน คาร์บอนที่เหลือจะถูกอัดให้กลายเป็นตะกรันทันที ซึ่งเป็นคาร์บอนที่มีลักษณะคล้ายเพชร ซึ่งมีสิ่งเจือปนและตำหนิอยู่เป็นจำนวนมาก (ประมาณ 10%) เนื่องจากอนุภาคมีขนาดเล็กมาก (เช่น 411 ม.) พื้นที่ผิวจำเพาะมีค่าสูงมาก (เช่น 300 M2/g) จึงสามารถดูดซับสิ่งเจือปนได้ในปริมาณมาก

เนื่องจากอัตราการแปลงวัตถุระเบิดเป็นเพชรหลังการระเบิดนั้นต่ำมาก และการทำความสะอาดและการเกรดเพชรนาโนมีราคาแพงมาก ผลิตภัณฑ์นี้มีการใช้งานเฉพาะเท่านั้น เช่น การขัดที่แม่นยำอย่างยิ่ง การชุบแข็งพื้นผิวของลูกสูบเครื่องยนต์ และเมล็ดคริสตัล PVDD/CVDD เนื่องจากราคาที่สูง (เช่น 3 ดอลลาร์ต่อกะรัต) ขณะนี้ความต้องการในตลาดจึงมีน้อย

คลื่นกระแทกเหนือเสียง

วิธีการระเบิดอีกวิธีหนึ่งคือการใช้คลื่นกระแทกเหนือเสียงโดยอ้อมเพื่อกระทบกับกราไฟต์ ทำให้มันเปลี่ยนเป็นเพชรขนาดไมครอนทันที วิธีการสังเคราะห์แรงกระแทกนี้ได้รับการทดสอบสำเร็จโดยบริษัท DuPont ซึ่งเป็นบริษัทสัญชาติอเมริกันที่ผลิตวัตถุระเบิดในปีพ.ศ. 2503 และเริ่มการผลิตจำนวนมากในช่วงทศวรรษปีพ.ศ. 2513 ในระหว่างการผลิต ผงกราไฟท์และทองแดง (92%, 1 มม.) จะถูกผสมกันอย่างเท่าเทียมกันก่อน แล้วจึงกดให้เป็นแท่งกลมยาวประมาณ 5 เมตรด้วยการกดแบบไอโซสแตติกเย็น (CIP) แกนกลมปิดผนึกด้วยท่อเหล็กที่มีสเปเซอร์กลวงแท้ ก่อนเกิดการระเบิด ท่อเหล็กหลายเส้นถูกวางรวมกันไว้ในเหมือง และบรรจุวัตถุระเบิดหลายตันไว้รอบๆ ท่อเหล็กเหล่านั้น

เมื่อวัตถุระเบิดถูกจุดไฟที่ปลายด้านหนึ่งและระเบิดขึ้น มันจะบีบท่อเหล็กจากปลายด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่งทันที กราไฟต์ในท่อเหล็กจะถูกบีบอัดเป็นเวลาสั้นๆ จนถึงระดับประมาณ 200,000 บรรยากาศ และให้ความร้อนสูงถึงกว่าหนึ่งพันองศาเมื่อคลื่นกระแทกผ่านเข้ามา เนื่องจากแรงดันสูงเป็นอย่างมาก จำนวนนิวเคลียสของเพชรจึงมีมาก และภายในเวลาไม่กี่ไมโครวินาที กราไฟท์ภายในจะถูกเปลี่ยนเป็นผลึกเพชรขนาดประมาณ 1-20 นาโนเมตร (ประกอบด้วยอะตอมจำนวนนับพันถึงล้านอะตอม) ผลึกเหล่านี้จะยึดติดกันเป็นผงเพชรขนาดไมครอน วิธีนี้สามารถผลิตผงเพชรได้หลายกิโลกรัมในแต่ละครั้ง ความดันจะลดลงอย่างกะทันหันหลังจากคลื่นกระแทกผ่านไป หากอุณหภูมิในเวลานี้ยังสูงอยู่ เพชรที่ได้จะกลายเป็นตะกรันคาร์บอนอสัณฐานทันที เนื่องจากอนุภาคทองแดงจำนวนมากถูกผสมอยู่ในกราไฟต์เพื่อทำหน้าที่เป็นตัวระบายความร้อน จึงสามารถดับผงเพชรที่เกิดขึ้นได้อย่างรวดเร็วเพื่อหลีกเลี่ยงการคาร์บอนไนเซชัน ผงเพชรนี้จะถูกชะล้างด้วยกรดเพื่อขจัดโลหะออก จากนั้นกราไฟต์จะถูกออกซิไดซ์ด้วย PbO ที่อุณหภูมิ 400°C หลังจากทำความสะอาดและเกรดแล้ว จะกลายเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีเครื่องหมายการค้า Mypolex วัตถุดิบสำหรับการสังเคราะห์คลื่นกระแทกจะต้องได้รับการแปรรูปโดยการอัดแบบไอโซสแตติกเย็นก่อนเพื่อทำให้มีความหนาแน่น หากมีรูพรุนมากเกินไป แรงดันหลังจากการบีบอัดคลื่นกระแทกจะไม่เพียงพอ และอุณหภูมิสูงเกินไปที่จะไปถึงโซนเสถียรภาพของเพชร ทำให้สังเคราะห์เพชรได้ยาก เพชร Mypolex เป็นเพชรโพลีคริสตัลไลน์ที่มีตำหนิอยู่มากมาย ดังนั้น พื้นที่ผิวจำเพาะจึงใหญ่กว่าพื้นผิวของผลึกเดี่ยวที่ถูกบดด้วยขนาดอนุภาคเท่ากันประมาณ 3 เท่า จึงสามารถดูดซับสิ่งเจือปนได้มากขึ้น อย่างไรก็ตาม เนื่องจากรูปลักษณ์ที่เหมือนมันฝรั่ง จึงไม่มีขอบและมุมคมที่พบได้ทั่วไปในเพชรผลึกเดี่ยว ดังนั้นจึงไม่เกิดรอยขีดข่วนบนวัสดุฐานในระหว่างการขัด เมื่อขัดชิ้นงานที่สลับกันระหว่างพื้นผิวอ่อนและพื้นผิวแข็ง จะไม่มีหลุมขนาดเล็กเกิดขึ้น นอกจากนี้ผงโพลีคริสตัลไลน์อาจค่อยๆ แตกออกจากกัน ส่งผลให้พื้นที่สัมผัสของจุดตัดลดลง คุณสมบัติการลับคมอัตโนมัตินี้ช่วยลดพลังในการขัดแต่ช่วยเพิ่มความเร็วได้ ดังนั้นผงไมโครโพลีคริสตัลไลน์จึงมีประสิทธิภาพทั้งในการบดเมล็ดใหญ่และคุณภาพในการขัดเมล็ดเล็ก

โครงสร้างกราไฟท์ที่สามารถแปลงเป็นเพชรได้โดยตรงจะต้องเป็นรูปหกเหลี่ยมหรือรูปสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูน แบบแรกจะถูกเรียงลำดับเป็น AAA และสามารถแปลงให้เป็นเพชรหกเหลี่ยม (Lonsdaleite) ได้ ส่วนหลังนี้จะถูกจัดเรียงเป็น ABC และสามารถสร้างเป็นเพชรลูกบาศก์ได้ กราไฟท์ส่วนใหญ่จะถูกสั่งเป็น ABA ดังนั้นจึงไม่สามารถนำไปแปรรูปเป็นเพชรโดยตรงได้ แต่ก็มีกราไฟท์รอมบิกอยู่ด้วยปริมาณเล็กน้อย (10%) อัตราการแปลงที่ต่ำของเพชรสังเคราะห์คลื่นกระแทกถูกจำกัดด้วยเนื้อหาของกราไฟท์รอมโบฮีดรัล เนื่องจากอัตราการแปลงต่ำและขั้นตอนที่ซับซ้อนสำหรับการล้างด้วยกรดและการจัดระดับผงไมโคร ต้นทุนของเพชรที่ผลิตได้โดยวิธีการระเบิดจึงสูงมาก และราคาโดยทั่วไปจะสูงกว่าผงไมโครเพชรผลึกเดี่ยวที่ถูกบดถึง 4 เท่า ดังนั้น แม้ว่าเพชรโพลีคริสตัลไลน์ที่ผลิตด้วยวิธีการระเบิดจะสามารถขัดด้วยความเร็วสูงได้โดยไม่ทำให้ชิ้นงานเป็นรอยขีดข่วน แต่ปัจจุบันใช้เฉพาะเพื่อการขัดที่แม่นยำเท่านั้น เช่น การขูดพื้นผิวของฮาร์ดดิสก์หรือการเจียรพื้นผิวของหัวแม่เหล็ก หรือเพื่อการขัดที่มีมูลค่าสูง (เช่น อัญมณีหรือเวเฟอร์) การบริโภคประจำปีทั่วโลกอยู่ที่ประมาณ 1 เมตริกตัน โดยมีมูลค่าผลผลิตประมาณ 10 ล้านเหรียญสหรัฐ

Scroll to Top