الماس از کربن خالص تشکیل شده و سیستم تبلور آن کوبیک است. وزن مخصوص الماس 3.5 ضریب شکست آن 2.42 و سختی آن در مقیاس موس ، مساوی 10 است. الماس به رنگهای مختلف پیدا می‌شود. الماس با سنگهای کیمبرلیتی که از اعماق زیاد منشا گرفته‌اند، همراه است. در رسوبات رودخانه‌ای به صورت پلاسر یافت می‌شود. بیشترین بخش الماس جهان امروه از معادن الماس واقع در کشورهای آفریقایی استخراج می‌گردد.

مقدمه

شاید به زودى تصور متداول درباره الماسها به کلى دگرگون شود. الماسهایى که بخاطر زیبایى ، کمیاب بودن و زمان طولانى تولیدشان ارزش فوق العاده‌اى داشتند، امروزه در آزمایشگاه و در مدت زمانى حدود یک ساعت بوجود مى‌آیند. اینکه این دگرگونى چه تأثیرى در صنعت جواهرسازى یا قیمت الماسهاى طبیعى در بازار خواهد داشت هنوز در پرده‌اى از ابهام است. اما درباره نقش این الماسهاى آزمایشگاهى در تکنولوژى ، شایعه‌هایى برخاسته از مجامع علمى به گوش مى‌رسد.







بیشتر از هشتاد درصد از الماسهاى معدنى طبیعى به مصارف صنعتى از قبیل ابزارهاى برش یا مواد ساینده براى تراشکارى و پرداخت دیگر سنگهاى قیمتى ، فلزات ، گرانیت و شیشه مى‌رسند. استفاده از الماس به عنوان نیم رسانا نیز نیازمند شرایط ویژه‌اى مثل بالاترین درجه خلوص ، بهترین بلورینگى و تعیین اتمها به لحاظ الکتریکى فعال براى ایجاد گذرگاه الکتریکى در وسیله مورد نظر است.

اما تمامى الماسهاى طبیعى بخاطر نقصها ، ناخالصیها و ساختار ضعیفشان براى مصارف الکترونیکى نامناسبند. حتى با اینکه الماسهاى مصنوعى و طبیعى داراى کیفیت جواهرى بسیار ارزشمند هستند، اما ممکن است بخاطر رگه‌هاى ناچیز ناخالصیها براى استفاده به عنوان نیم رسانا مناسب نباشند. در واقع تنها خالصترین این سنگها در کاربردهاى الکترونیکى پرقدرت از سلفونها گرفته تا کامپیوترهاى شخصى و خطوط ارتباطاتى قابل استفاده‌اند.

دورنماى الماس

میزان ذخیره الماس جهان در سال 1979 بدین شرح می‌باشد. زئیر 120 ، شوروی (سابق) 250 ، آفریقای جنوبی 72 ، بوستوانا 60 ، نامیبیا 15 ، آنگولا 20 ، سیرالئون 6 و لسوتو 5 میلیون قیراط ذخیره دارند. همچنین میزان الماس تولیدی جهان در سال 1979 بدین شرح می‌باشد: زئیر 11160 ، شوروی (سابق) 10700 ، آفریقای جنوبی 7640 ، بوتسوانا 3340 ، نامیبیا 1950 ، عتا 1500 ، آنگولا 750 ، ونزوئلا 750 و سیرالئون با 710 قیراط بیشترین تولید الماس جهان را به خود اختصاص داده‌اند.

تولید الماس

الماس بطور طبیعى تحت فشارهاى زیاد اعماق زمین و در زمانى طولانى شکل مى‌گیرد. اما در آزمایشگاه مى‌توان به کمک دو فرآیند مجزا در زمانى بسیار کوتاهتر الماس تولید کرد. فرآیند فشار بالا _ دما بالا (HP HT) اساساً تقلیدى است از فرآیند طبیعى شکل گیرى الماس در حالى که فرآیند رسوب گیرى بخار شیمیایى (CVD) دقیقاً خلاف آن عمل مى‌کند. در واقع CVD بجاى وارد کردن فشار به کربن براى تولید الماس با آزاد گذاشتن اتمهاى کربن به آنها اجازه مى‌دهد با ملحق شدن به یکدیگر به شکل الماس در آیند.

این دو تکنیک براى اولین بار در دهه 1950 کشف شدند. به گفته باتلر که هفده سال روى تولید الماس با استفاده از تکنیک CVD کار کرده است «از آنجا که پیشگامان تولید الماس بدون فشار بالا در دهه 1950 با تمسخر سایرین از میدان به در شدند. تکنولوژى CVD هنوز دوران کودکى‌اش را سپرى مى‌کند.» هر دو فرآیند قادرند با سرعتى خیره کننده الماسهایى با کیفیت جواهر تولید کنند، اما در نهایت این فرآیند CVD است که بخاطر کنترل ساده ناخالصى و اندازه محصول براى تکنولوژیهاى الکترونیکى مناسب‌ترین خواهد بود.

فرآیند CVD با قرار دادن ذره بسیار کوچکى از الماس در خلأ آغاز مى‌شود. سپس گازهاى هیدروژن و متان به محفظه خلأ جریان مى‌یابند. در ادامه پلاسماى تشکیل شده باعث شکافته شدن هیدروژن به هیدروژن اتمى مى‌شود که با متان واکنش مى‌دهد تا رادیکال متیل و اتمهاى هیدروژن بوجود آیند. رادیکال متیل نیز به ذره الماس مى‌چسبد تا الماس بزرگ شود. رشد الماس در تکنیک CVD ، فرآیندى خطى است، بنابراین تنها عوامل محدودکننده اندازه محصول در این روش بزرگى ذره ابتدایى و زمان قرار دادن آن در دستگاه است.

به گفته دیوید هلیر (D. Hellier) ، رئیس بخش بازاریابى کمپانى ژمسیس ، «فرآیند HP HT نیز با ذره کوچکى از الماس آغاز مى‌شود. هر ذره الماس در محفظه‌هاى رشدى به اندازه یک ماشین لباسشویى ، تحت دما و فشار بسیار بالا درون محلولى از گرانیت و کاتالیزورى فلزى غوطه‌ور مى‌شود. در ادامه تحت شرایط کاملاً کنترل شده‌اى این الماس کوچک به تقلید از فرآیند طبیعى ، مولکول به مولکول و لایه به لایه شروع به رشد مى‌کند.»

گر چه جنرال الکتریک در تولید الماسها به این روش پیشگام است و الماسهاى ساخته شده با تکنیک HP HT را براى مصارف صنعتى به بازار عرضه مى‌کرد اما تا پیش از آنکه کمپانى ژمسیس با ساده سازى این فرآیند امکان تولید نمونه‌هایى با کیفیت جواهر را فراهم کند، هرگز آن الماسها به عنوان سنگهاى قیمتى به فروش نرسیده بودند.







در واقع الماسهاى زینتى مصنوعى بخش کوچک و در عین حال پر سودى از صنعت الماس را تشکیل مى‌دهند. این الماسهاى رنگى که در مقایسه با همتاهاى بى‌رنگ شان فوق العاده کمیاب و در نتیجه بسیار گرانبها ترند با توجه به نوع ناخالصیها در رنگهاى گوناگون از قرمز و صورتى گرفته تا آبى ، سبز و حتى زرد روشن و نارنجى تولید مى‌شوند. در واقع این الماسها مى‌توانند چنان کیفیت بالایى داشته باشند که حتى ماشینهاى ساخته شده براى تشخیص سنگهاى مصنوعى از طبیعى در تفکیکشان از یکدیگر دچار مشکل شوند، همانطور که امروزه برخى از بزرگترین الماس فروشان در صنعت نیز به زحمت از پس آن بر مى‌آیند.

شباهت فوق العاده نمونه هاى مصنوعى و طبیعى باعث شده است تا تاجران الماس براى تشخیص الماسهاى رنگى مصنوعى از سنگهاى طبیعى دست به دامن آزمایشگاههاى الماس بلژیک و دیگر نقاطى شوند که بطور سنتى عهده دار تجزیه و تحلیل و تأیید الماسها از نظر بزرگى قیراط ، رنگ و شفافیت هستند.

تشخیص الماسهای مصنوعی

آزمایشگاه آنتورپ و چند تایى دیگر در سراسر جهان براى تشخیص الماسهاى مصنوعى بطور عمده از دو نوع دستگاه استفاده مى‌کنند. در دستگاه نوع اول با تابش نور به الماس مشخصات طیفى نور جذب یا ساطع شده تجزیه و تحلیل مى‌شود. اگر نشانه‌هایى از الماس مصنوعى مشاهده شد، آزمایشگاه دستگاه دوم را بکار مى‌گیرد که این دستگاه براى آشکار ساختن ساختار درونى کریستال از نور فرابنفش استفاده مى‌کند. این دستگاهها نقصهاى موجود در الماس را حتى در مقیاس میکروسکوپى یا اتمى نیز بررسى مى‌کنند.

در واقع الماسها نیز درست مثل درختان داراى حلقه‌هاى رشدى در اطراف هسته درونى هستند. الماسهایى که در آزمایشگاه تولید یا براى تغییر رنگ دستکارى شده باشند، ساختار رشد متفاوتى از خود نشان مى‌دهند. بنابراین با اینکه آزمایشگاهها با استفاده از این دستگاهها قادر به تشخیص الماسهاى مصنوعى از طبیعى هستند اما نگرانى عمده در صنعت الماس جایى است که افراد بدون این دستگاهها توانایى تشخیص سنگهاى مصنوعى را نخواهند داشت.

الماس مصنوعی

این نوع الماس برای نخستین بار توسط گروهی از دانشمندان سوئدی در سال 1953ساخته شده است. جنرال الکتریک در سال 1954 برای اولین مرتبه با استفاده از گرافیت در فشار 50 تا 60 کیلو بار و دمای 1500 درجه سانتیگراد توانست الماس مصنوعی بسازد.
در روش جدید که توسط ژاپنیها ابداع گردیده ، بخار کربن بر روی یک صفحه سرد جمع می‌شود، ابتدا CH₄ و H₂ در میکروویو در دمای بیش از 2000 درجه سانتیگراد حرارت داده می‌شود و بخار کربن بر روی یک صفحه سرد متمرکز می‌شود.

موارد مصرف الماس

الماس دارای مصارف صنعتی و زینتی است. گر چه الماس را بیشتر به عنوان زینت بخش می‌شناسند، ولی بیش از 80 درصد آن به مصارف صنعتی می‌رسد. میزان الماس مصرفی در صنعت از 74 درصد در سال 1934 به 89 درصد در سال 1979 فزونی گرفته است. مصارف عمده الماس در صنعت جهت برش مواد بسیار سخت نظیر فولادهای آلیاژی و کاربید تنگستن ، ساییدن ، اره کردن سنگ و بتون و حفاریها بکار می‌رود.

تقسیم بندی الماسها بر اساس مصارف صنعتی

الماسها بر اساس مصارف صنعتی آنها به چهار گونه تقسیم می‌شوند:

1. الماس صنعتی که به علت شکل و رنگ آن ، مصرف زینتی ندارد.
2. الماس بورت که قطعه‌های کوچک و شکل نامناسب دارد.
3. الماس کاربونادو که مخلوطی از الماس ، گرافیت و کربن بی‌شکل (آمورف) است.
4. الماس بالاس
   
   12.5 درصد الماس تولیدی جهان به مصرف ساخت مته‌های حفاری و چاله زنی می‌سرد. 2.5 درصد دیگر هم از الماس تولیدی در ساختن ماشینهای برش و پولیش و 75 درصد دیگر به صورت پودر و یا مواد ساینده به مصرف می‌رسد. مصارف صنعتی الماس به اختصار شامل ، مته‌های الماسی ، مواد ساینده‌ها ، اره‌های الماسی ، لوازم دندانپزشکی و جراحی و دستگاههای برشی و پولیش می‌گردد.

الماس در صنعت الکترونیک

به گفته جیمز باتلر (J.Butler)، یکى از شیمیدانان محقق در آزمایشگاه تحقیقات نیروى دریایى ایالات متحده ، به لحاظ تاریخى سه مشکل عمده سر راه استفاده از الماسهاى طبیعى در کاربردهاى الکترونیکى وجود داشته است. الماسهاى طبیعى همیشه به شکل بازدارنده‌اى براى استفاده همه جانبه گران بوده‌اند و یافتن سنگهاى بزرگ با خلوص کافى نیز بسیار دشوار است. علاوه بر این هیچ دو سنگى دقیقاً شبیه هم نیستند و خواص منحصر به فرد در هر یک مى‌تواند مشکلاتى را در مدارهاى الکترونیکى به بار آورد. آخرین مشکل در استفاده از الماس براى کاربردهاى الکترونیکى و کامپیوترى نیز نیاز به دو نوع الماس یعنى سنگهاى نوع n و p براى هدایت الکترونیکى بوده است.

در دستگاههاى مجتمع باید از هر دو نوع الماس نیمه رساناى n و p استفاده کرد، اما الماسهاى نوع n بطور طبیعى وجود ندارند و الماسهاى نوع p الماس آبى ، به قدرى نادرند که هیچ راه مقرون به صرفه‌اى براى استفاده از آنها پیدا نشده است. به هر حال الماسهاى مصنوعى این مشکلات را برطرف مى‌کنند. به گفته رابرت لینارس (R. Linares) ، بنیان گذار کمپانى آپولو دیاموند براى مثال مى‌توان با افزودن ناخالصى فلز برون به الماس ، نوع P یعنى الماس آبى را تولید کرد.

بطور مشابه دانشمندان مى‌توانند با افزودن فسفر به الماسهاى بى رنگ ، الماس نوع n را نیز تولید کنند. ما براى استفاده از الماس به نوع نیمه رسانا در دستگاههاى الکترونیکى پرقدرت نیاز به ترکیبى لایه‌اى از این دو نوع الماس داریم. علاوه بر این با توجه به اینکه الماسهاى بى‌رنگ خالص در عمل بیشتر از آنکه رسانا باشند عایق هستند، مى‌توان لایه‌هایى از آنها را به این ترکیب افزود.

امروزه نیم رساناهاى بسیارى مثل سیلیکون در گستره وسیعى از دستگاههاى الکترونیکى بکار مى‌روند. اما الماس با توجه به دامنه تغییرات حرارتى و سرعت فوق العاده بیشترش ، تنها در مقایسه با خلاء است که عنوان دومین نیم رساناى برتر جهان را به خود اختصاص مى‌دهد. الماس با داشتن چنین ویژگیهایى و بخصوص امروز که آزمایشگاه قادر به تولید سنگهاى خالص و ناخالص کنترل شده‌اند، مى‌تواند پایه گذار انواع سراسر نوینى از دستگاههاى الکترونیکى پرقدرت باشد. با اینکه استفاده از الماس در صنایع الکترونیک به چند دهه دیگر واگذار شده است، اما به اعتقاد لینارس این سنگ قیمتى صنایع نیم رسانا سازى را به کلى دگرگون خواهد کرد.

برخى از کاربردهاى عملى الماس

• لوازم الکترونیکى ولتاژ و توان بالا مثل ترنهاى سریع السیر.
• دستگاههاى فرکانس بالا مثل رادارهاى پرقدرت و ایستگاههاى مخابراتى سلولى.
• دستگاههاى میکرو و نانو الکترو مکانیکى مثل ساعتها و فیلترهاى تلفنهاى سلولى.
• محاسبات کوانتومى مثل موارد مورد نیاز در ارتباطات امن.
• آشکارساز پرتوهاى پر انرژى مثل پرتو سنجهاى پزشکى.
• اپتیک و لیزرهاى پرقدرت مثل آنچه در کابل و خطوط تلفن یا پنجره شاتلهاى فضایى بکار می‌رود.
• الکترودهاى الماسى مقاوم به خوردگى که مى‌تواند محیطهاى آلوده را پاک کند.

مباحث مرتبط با عنوان

• رشد الماس
• اره الماسی
• الماس مصنوعی
• کربن
• کوارتز
• کیمبرلیت
• گرافیت
• مته الماسی
• مته حفاری
• مواد ساینده