چگونه الماس تشکیل می‌شود ؛ انواع الماس و کاربردهای آن

الماس (Diamond) ماده‌ای تشکیل یافته از کربن است. این ماده سخت و ارزشمند جهان در واقع دانه تبلور کربن بوده و تبلور کربن شکل نمی‌گیرد مگر در دما و فشار بالا. چگونه شکل‌گیری الماس را درست به مانند چگونگی تشکیل نفت باید در تاریخچه زمین‌شناسی سیاره خاکی‌مان جستجو کنیم.

کربن (Carbon)، عنصر عجیبی است، یک عنصر شیمیائی در جدول تناوبی با نشان C و عدد اتمی ۶ که به دلایل زیادی قابل توجه است. اشکال مختلف آن شامل یکی از نرم‌ترین (گرافیت) و یکی از سخت‌ترین (الماس) مواد شناخته شده توسط انسان است. در شکل‌های مختلفی می‌تواند یک رسانای خوب به شکل گرافیت، یک‌نیمه‌رسانای خیلی سخت به شکل الماس و هنگامی که با یک جزء مناسب مخلوط شود، یک ابر رسانا گردد. راز شکل‌گیری الماس نیز در همین عنصر عجیب قرار دارد.

الماس چگونه تشکیل می‌شود

عنصر کربن و سیاره زمین دو عامل اصلی برای تشکیل الماس هستند. کربن می‌تواند به الماس تبدیل شود، اما برای این کار نیاز به دما و فشار بالایی دارد، زمین این عوامل را تامین می‌کند.

در قسمت بالایی گوشته زمین و در عمقی در حدود 120 تا 200 کیلومتری با فشاری در حدود 45 هزار bar و دمای 900 تا 1300 درجه سانتی‌گراد، مراحل اولیه شکل‌گیری الماس آغاز می‌شود. کربن در این فشار و دما به الماس تبدیل خواهد شد. این خلاصه ای از چگونگی شکل‌گیری الماس است.

بسیاری از الماس های کشف شده از طریق فوران های آتشفشانی به سطح زمین حمل شده اند. به علت حرکات عمودی کوه زائی یا قاره زائی این فوران ها در لایه گوشته آغاز شده و سر راه خود، تکه هایی از سنگ های گوشته را کنده و بدون ذوب کردن به سطح زمین منتقل می‌کند.

با برخی از فوران های آتشفشانی (فوران خاصی با نام فوران کیمبرلیت) سنگ های الماس که در دما و فشار بالایی لایه گوشته زمین تشکیل شده‌اند، به سطح زمین می‌رسند.


بیشتر بخوانید: لیستی از قویترین و بزرگترین آتشفشان ها در دنیا


امروزه الماس را از معادن مختلفی در سراسر جهان استخراج می‌کنند. آفریقای جنوبی یکی از شناخته شده ترین معادن الماس جهان را در اختیار دارد.

ویژگی های الماس

این ماده ویژگی های خاص زیادی دارد و دلیل آن را باید در روند شکل‌گیری الماس جستجو کرد. الماس در بین جامدات بالاترین رسانایی گرمایی را دارد. این مقدار رسانی در مقایسه با مس، 5 برابر بیشتر است.

بیشتر از هشتاد درصد از الماس های معدنی طبیعی به مصارف صنعتی از قبیل ابزارهای برش یا مواد ساینده برای تراشکاری و پرداخت دیگر سنگ های قیمتی، فلزات، گرانیت و شیشه می رسند.

الماس خواص نیمه رسانایی بسیار بالایی نیز دارد. امروزه نیمه رساناهای زیادی مانند سیلیکون در گستره وسیعی از دستگاه های الکترونیکی به کار می روند، اما الماس با توجه به دامنه تغییرات حرارتی و سرعت فوق العاده بیشترش، تنها در مقایسه با خلاء است که عنوان دومین نیمه رسانای برتر جهان را به خود اختصاص می‌دهد.

این دانه متبلور کربن سخت ترین ماده جهان است و به مانند تفلون در مجاورت هوا، روانی طبیعی فوق العاده ای دارد. به دلیل این خواص و منحصر به فرد و البته جنبه بسیار ارزشمند تزئینی آن، محققان شروع به آزمایش تولید الماس در شرایط آزمایشگاهی کردند.

انواع الماس

  • الماس طبیعی:

هنوز اساسا تنها منبع جواهرات بوده و بالاترین قیمت را دارد.

  • الماس سنتزی فشار بالا:

سهم گسترده‌ای از بازار صنعت را در اختیار داشته و به عنوان ساینده و ابزار برشی و ماشینکاری به کار می‌رود.

  • الماس سی‌وی‌دی (CVD)

پتانسیل‌های زیادی برای کاربرد در صنعت دارد ولی هنوز به صورت آزمایشگاهی تولید می‌شود. انباشت به روش تبخیر شیمیایی یا رسوب شیمیایی فاز بخار (Chemical vapor deposition) که به اختصار CVD نامیده می‌شود، یکی از روش‌های شیمیایی است که در تولید لایه‌های بسیار خالص میکروبلورین در فناوری نیم رساناها به کار می‌رود.

  • کربن شبه-الماس (DLC)

به تازگی تولید شده، اما دارای کاربردهایی در زمینه ابزار نوری دقیق است. کربن شبه الماس از جدیدترین ساختارهای کربنی و دارای خواص و کاربردهای شگرفی در زمینه های شیمی، پزشکی، فیزیک و مهندسی ست. از جمله خواص بارز آن سختی این نانو ساختار است که حتی از الماس نیز بیشتر بوده و بدین جهت توجه بسیاری از پژوهشگران را بخود جلب نموده است.

الماس مصنوعی چیست

در دهه 1950 بود که روش های جدید شکل گیری الماس در روی سطح زمین نیز کشف شد و دانشمندان توانستند با ایجاد درجه حرارت بالا و فشار مورد نیاز، آن را در یک آزمایشگاه تولید کنند.

با اینکه روند شکل‌گیری الماس در طبیعت علاوه بر دما و فشار بالا به زمان زیادی نیز احتیاج دارد، اما در آزمایشگاه با فرایند فشار بالا _ دما بالا (HP HT) که اساسا تقلیدی است از فرایند طبیعی شکل‌گیری الماس می‌توان زمان تشکیل را به حداقل رساند.

درحالیکه الماس های ساخته شده توسط انسان همان جنس الماس واقعی را دارند (یعنی کربن خالص تبلور یافته در شکل همسانگرد سه بعدی)، اما اغلب با عنوان الماس مصنوعی شناخته می‌شوند.

خواص الماس مصنوعی بستگی به جزئیات فرایندهای ساخت آن دارد؛ البته، برخی الماس‌های مصنوعی (چه ساخته شده طی HPHT یا CVD) دارای خواصی مثل سختی، رسانندگی گرمایی و تحرک پذیری هستند که نسبت به همین خواص الماس‌های طبیعی کیفیت بهتری دارند.

الماس مصنوعی به‌طور گسترده‌ای در سایندهها، در ابزارهای برنده و صیقل دهنده و در گرماخورها مورد استفاده قرار می‌گیرد. استفاده‌های الکترونیکی الماس مصنوعی در حال توسعه هستند که شامل استفاده در کلیدهای (مدارهای) نیروگاه‌ها، ترانزیستورهای اثر میدان با فرکانس بالا و ال ئی دی‌ها است.

روش های ساخت الماس مصنوعی

برای ساخت الماس مصنوعی روش های مختلفی وجود دارد.

1. فشار بالا، دمای بالا:

اصلی ترین روش تولید الماس مصنوعی است و به علت کم هزینه بودن هنوز به‌طور گسترده‌ای به کار می‌رود. در روش HPHT، سه طرح اصلی فشار موجودند که برای تأمین فشار و دمای لازم برای تولید الماس مصنوعی به کار می‌روند: ماشین فشار کمربندی، ماشین فشار مکعبی و ماشین فشار تقسیم کروی

2. انباشت به روش تبخیر شیمیایی (CVD):

در این روش الماس را در یک مخلوط گازی هیدورکربنی پرورش می‌دهند.  توانایی رشد دادن الماس در مناطق وسیع و بسترهای متنوع و کنترل بهتر ناخالصی‌های شیمیایی و در نتیجه خواص بهتر الماس ساخته شده از مزیت‌های پرورش الماس با روش CVD است. برخلاف HPHT، فرایند CVD نیاز به فشارهای بالایی ندارد. معمولا تولید الماس با این شیوه در فشارهای زیر 27 کیلوپاسکال انجام می‌شود.

3. انفجار مواد منفجره:

نانوبلورهای الماس (با قطر ۵ نانومتر) را می‌توان با انفجار مواد منفجره کربن دار خاصی در یک اتاق فلزی تشکیل داد. این نانوبلورها به “نانو الماس‌های انفجاری” معروف هستند. در این روش ساخت الماس، فشار و دمای اتاق به اندازه‌ای بالا می‌رود که کربن‌های حاصل از انفجار به الماس تبدیل شوند. با شناورشدن در آب، اتاق به سرعت پس از انفجار سرد می‌شود تا مانع تبدیل الماس‌های تازه تولید شده به گرافیت پایدارتر گردد.

4. حفره زایی مافوق صوت:

این تکنیک نیازمند تجهیزات و فرایندهای نسبتا ساده‌ای بوده، اما هیچ استفاده صنعتی ندارد. هزینه تخمینی تولید الماس به این روش با مقدار روش HPHT قابل مقایسه است


بیشتر بخوانید: چگونگی ایجاد صوت ؛ صدا چگونه تولید و به گوش ما می‌رسد؟


روش های شکل‌گیری الماس طبیعی

بسیاری از مردم بر این باورند که از دگرگونی زغال سنگ الماس شکل می‌گیرد. این ایده حتی در بسیاری از کلاس های علمی در پاسخ به سوال چگونگی تشکیل الماس همچنان گفته می‌شود.

بعید است که زغال سنگ در شکل گیری الماس نقش داشته باشد. بیشتر الماس هایی که کشف شده‌اند، بسیار قدیمی‌تر از گیاهان اولیه زمین -مواد اصلی تشکیل دهنده زغالسنگ- هستند.

فرآیند تشکیل الماس های طبیعی به 4 روش زیر است.

1. شکل گیری الماس در گوشته زمین

همان طور که در ابتدا نیز گفته شد. زمین شناسان بر این باورند که گوشته زمین مهمترین منبع برای چگونگی تشکیل الماس است و الماس تولید شده از این روش با فوران های آتشفشانی عمیق به سطح زمین می‌آیند.

این فوران های آتشفشانی باعث تشکیل لوله های کیمبرلیت (kimberlite) و لام‌پرویت (lamproite) می شوند. جویندگان الماس بیشتر این مناطق را جستجو می‌کنند.

تحقیقات نشان می‌دهد که شکل گیری الماس طبیعی در همین مناطق گوشته و در عمقی در حدود 150 کیلومتری و با دمایی بالای 1050 درجه سانتیگراد انجام می‌گردد. الماس های تشکیل شده، در این محدوده که به “مناطق پایداری الماس” مشهور هستند، قرار دارند.

2. تشکیل الماس در مناطق فرورانش

در زمین‌شناسی به منطقه‌ای که دو پوسته از سطح کره زمین به سمت یکدیگر حرکت کرده و یکی از پوسته‌ها بزیر پوسته دیگر می‌لغزد، پهنه فرورانش گفته می‌شود. پوسته پایین‌رونده در گوشته زمین فرومی‌رود و ذوب می‌شود.

الماس های کوچک در سنگهایی یافت می‌شوند که به نظر می‌رسد طی فرایندهای تکتونیکی صفحات عمیق درون گوشته قرار گرفته و سپس به سطح بازگشت کرده‌اند.

شکل گیری الماس در مناطق فرورانش ممکن است که در عمق 80 کیلومتری از سطح زمین و در دماهای پایینی در حدود 200 درجه سانتیگراد اتفاق بیفتد.

3. تشکیل الماس در دهانه های برخوردی

دهانهٔ برخوردی در ستاره‌شناسی به فرورفتگی، حفره یا گودالی در زمین که در اثر برخورد شهاب‌سنگ پدید آمده باشد، گفته می‌شود.

زمین در طول تاریخ خود، بارها و بارها توسط سیارک های بزرگ تحت تاثیر قرار گرفته است. هنگامی که این سیارک ها به زمین برخورد می کنند، دما و فشار زیادی تولید می‌شود.

به عنوان مثال، هنگامی که یک سیارک 10 کیلومتری به جو زمین وارد می‌شود، می‌تواند با سرعتی در حدود 15 تا 20 کیلومتر در ثانیه حرکت کند. برخورد این سیارک با سطح زمین آن هم با چنین سرعت بالایی، انرژی را تولید می‌کند که معادل بسیاری از سلاح های هسته ای بوده و درجه حرارت آن حتی گرمتر از سطح خورشید است.

شرایط دمایی و فشار بالا در دهانه های برخوردی سیارک ها برای شکل گیری الماس کاملا مناسب است. کشف الماس های کوچک در اطراف چندین دهانه برخوردی سیارکی درست بودن این ایده را تایید می‌کند.

4. شکل گیری الماس در فضا

محققان ناسا تعداد زیادی از نانو الماس ها را در برخی از شهاب سنگ ها شناسایی کرده اند. نانو الماس، موادی هستند که قطری در حدود چندین میلیاردم متر دارند. حدود سه درصد از کربن در این شهاب سنگ ها به صورت نانو الماس هستند.

از این الماس ها به دلیل کوچکی بسیار زیاد، نمی‌توان به عنوان جواهر یا ساینده های صنعتی استفاده کرد.


بیشتر بخوانید: چگونگی انفجار شهاب ها در جو زمین سرانجام توضیح داده شد!


درجه بندی الماس

امروزه خریداران و فروشندگان الماس می توانند با یک زبان واحد که همان زبان الماس است و 4C’s نامیده می‌شود با یکدیگر صحبت کنند. در درجه بندی الماس چهار خصوصیت در نظر گرفته می‌شود که عبارتند از:

  • رنگ (Color)
  • پاکی (Clarity)
  • برش (Cut)
  • وزن (Carat)

درجه بندی بر اساس رنگ:
الماسی که هیچ رنگی ندارد، ارزش بیشتری دارد. سیستم درجه بندی رنگ D-Z پذیرفته شده ترین سیستم درجه بندی رنگ الماس در دنیا است. این مقیاس با حرف D که به معنی کاملا بی رنگ بودن الماس است، شروع شده و تا به Z (زرد روشن) می‌رسد که در طول این مسیر، مرحله به مرحله بر میزان زردی موجود در الماس افزوده می‌گردد.

درجه بندی پاکی:
منظور از پاکی در الماس در حقیقت، به وجود هرگونه ناخالصی درونی یا سطحی اشاره دارد. با نحوه شکل‌گیری الماس این ماده می‌تواند ناخالصی های درونی پیدا کرده و یا اینکه بعدها دچار ناخالصی های سطحی شود. مقیاس درجه بندی پاکی الماس GIA دارای 6 گروه است.

درجه بندی برش:
شهرت الماس ها به وجود براقی و دیسپرژن و سینتیلیشن بوده که رابطه مستقیم با برش استاندارد الماس دارد. معمولا فکر می کنیم که نوع برش (گرد، اشکی یا …) صرفا برای زیبایی است، اما امروزه وقتی در مورد برش الماس صحبت می کنیم منظورمان این است که صفحات سنگ با چه کیفیتی برش خورده و چگونه در مقابل تابش نور عکس العمل نشان می‌دهند.

درجه بندی وزن:
واحد اندازه گیری وزن الماس قیراط است. هر یک گرم معادل پنج قیراط و هر قیراط، 100 سوت (Point) است. هرچه الماس بزرگتر و وزن آن بیشتر باشد، مسلما قیمت آن هم بالاتر خواهد بود. الماس های بزرگ کمیاب هستند.

خواص الماس

خواص الماس را از دو جنبه می‌توان بررسی کرد. یک جنبه فیزیکی است (سختی، نیمه رسانی و شکل بلوری) که به خصوصیات ظاهری این ماده می‌پردازد و جنبه دیگر روحی و احساسی است.

الماس از نظر احساسی نشانه امید، وفاداری، خلوص و افزایش دهنده عشق است. سنگ الماس تمامی سطوح احساسی در انسان را تقویت می‌کند. در باورهای گذشته الماس را دارای انرژی بالایی برای سحر و جادو می‌دانستند و معتقد بودند که می‌تواند قدرت جسمانی را افزایش دهد.

در منابع کهن ایرانی آمده است که الماس طبع سرد و خشکی دارد و بستن آن روی شکم باعث رفع دل پیچه، مشکلات معده و گوارشی شده و در اطفال باعث می‌شود که از بیماری صرع محفوظ بمانند.

کاربرد الماس در صنعت

تنها 25 در صد از الماس های استخراج شده کیفیت لازم برای تبدیل شدن به جواهر را دارند. سالانه حدود 200 میلیون قیراط الماس صنعتی مورد نیاز است که بخش بیشتر از آن به صورت الماس مصنوعی تامین می‌شود.

از الماس در مته های حفاری برای چاه های نفت و گاز استفاده می‌شود. سختی های و فشار بیش از حد در زمان شکل‌گیری الماس به ماهیت این ماده نیز نفوذ کرده است. الماس به دلیل سختی بسیار بهترین و ایده‌آل ترین ماده برای برشکاری و ساییدن است.

از الماس در دستگاه‌های برش صنعتی و همچنین تولید قطعات اپتیک استفاده می‌شود. برخی از قطعات موتورهای جت از این ماده ساخته شده و در تولید برخی از ابزارهای دندان پزشکی نیز بکار می‌رود.

در ساخت لوازم پیشرفته مغناطیسی و همچنین ساخت پنجره فضاپیماها این ماده کاربرد فراوانی دارد.

اخبار علمی را با تکراتو دنبال کنید.

 

بیشتر بخوانید:

 



ارسال نظر