الماس: یکی از سنگ های قیمتی و یکی از آلوتروپ های کربن است که در فشارهای بالا پایدار است. آلوتروپ دیگر کربن گرافیت نام دارد.الماس در حالت پایدار دارای ساختار مکعبی است. الماس ساختار منشوری نیز دارد که این ساختار بصورت شبه پایدار درطبیعت به صورت کانی لونسدالنیت وجود دارد. وزن مخصوص الماس 3.5 ضریب شکست آن 2.42 وسختی آن در مقیاس موس، مساوی 10 است. الماس به رنگهای مختلف پیدا می شود. الماس باسنگهای کیمبرلیتی که از اعماق زیاد منشا گرفته اند، همراه است. در رسوبات رودخانه ای به صورت پلاسر یافت می شود. بیشترین بخش الماس جهان امروه از معادن الماس واقع در کشورهای آفریقایی استخراج می گردد.مقدمه

شاید به زودى تصور متداول درباره الماسها به کلى دگرگون شود. الماسهایى که بخاطر زیبایى ، کمیاب بودن و زمان طولانى تولیدشان ارزش فوق العاده اى داشتند، امروزه در آزمایشگاه و در مدت زمانى حدود یک ساعت بوجود مى آیند. اینکه این دگرگونى چه تأثیرى در صنعت جواهرسازى یا قیمت الماسهاى طبیعى دربازار خواهد داشت هنوز در پرده اى از ابهام است. اما درباره نقش این الماسهاى آزمایشگاهى در تکنولوژى ، شایعه هایى برخاسته از مجامع علمى به گوش مى رسد.

بیشتر از هشتاد درصد از الماسهاى معدنى طبیعى به مصارف صنعتى از قبیل ابزارهاى برش یا مواد ساینده براى تراشکارى و پرداخت دیگرسنگهاى قیمتى ،فلزات،گرانیت وشیشه مى رسند. استفاده از الماس به عنوان نیم رسانا نیز نیازمند شرایط ویژه اى 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 ساختارضعیفشان براى مصارف الکترونیکى نامناسبند. حتى با اینکه الماسهاى مصنوعى و طبیعى داراى کیفیت جواهرى بسیار ارزشمند هستند، اما ممکن است بخاطر رگه هاى ناچیزناخالصیها 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 استفاده اند.

دورنماى الماس

میزان ذخیره الماس جهان در سال 1979 بدین شرح می باشد. 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 می باشد: 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 داده اند.

تولید الماس

الماس بطور طبیعى تحت فشارهاى زیاد اعماق زمین و در زمانى طولانى شکل مى گیرد. اما در آزمایشگاه مى توانبه 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 مى کند. در واقع CVD بجاى وارد کردن فشار به کربن براى تولید الماس با آزاد گذاشتن اتمهاى کربن به آنها اجازه مى دهد 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 دهه1950 با تمسخر سایرین از میدان به در شدند. تکنولوژى CVD هنوز دوران کودکى اش راسپرى مى کند.» 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 مناسب ترین خواهد بود.

فرآیند CVD باقرار دادن ذره بسیار کوچکى از الماس درخلأ آغازمى شود. سپس گازهاى هیدروژن ومتان به محفظه خلأ جریان مى یابند. در ادامه پلاسماى تشکیل شده باعث شکافته شدن هیدروژن به هیدروژن اتمى مى شود که با متان واکنش مى دهد تارادیکال متیل و اتمهاى هیدروژن بوجود آیند. رادیکال متیل نیز به ذره الماس مى چسبدتا 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 دردستگاه است.

به گفته دیوید هلیر (D. Hellier) ، رئیس بخش بازاریابى کمپانى ژمسیس ، «فرآیند HP HT نیز با ذره کوچکى از الماس آغاز مى شود. هرذره الماس در محفظه هاى رشدى به اندازه یک ماشین لباسشویى ، تحت دما و فشار بسیاربالا درون محلولى از گرانیت و کاتالیزورى فلزى غوطه ور مى شود. در ادامه تحت شرایطکاملاً کنترل شده اى این الماس کوچک به تقلید از فرآیند طبیعى ، مولکول به مولکول ولایه به لایه شروع به رشد مى کند.»

گر چه جنرال الکتریک در تولید الماسها به این روش پیشگام است و الماسهاى ساخته شده با تکنیک HP HT را براى مصارف صنعتى بهبازار عرضه مى کرد اما تا پیش از آنکه کمپانى ژمسیس با ساده سازى این فرآیند امکانتولید نمونه هایى با کیفیت جواهر را فراهم کند، هرگز آن الماسها به عنوان سنگهاىقیمتى به فروش نرسیده بودند.

در واقع الماسهاى زینتى مصنوعى بخش کوچک و در عین حال پر سودى از صنعت الماس را تشکیل مى دهند. این الماسهاى رنگى که در مقایسه با همتاهاى بى رنگ شان فوق العاده کمیاب و در نتیجه بسیار گرانبها ترند با توجه بهنوع ناخالصیها در رنگهاى گوناگون از قرمز و صورتى گرفته تا آبى ، سبز و حتى زردروشن و نارنجى تولید مى شوند. در واقع این الماسها مى توانند چنان کیفیت بالایىداشته باشند که حتى ماشینهاى ساخته شده براى تشخیص سنگهاى مصنوعى از طبیعى درتفکیکشان از یکدیگر دچار مشکل شوند، همانطور که امروزه برخى از بزرگترین الماسفروشان در صنعت نیز به زحمت از پس آن بر مى آیند.

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 بطورسنتى عهده دار تجزیه و تحلیل و تأیید الماسها از نظر بزرگى قیراط ، رنگ و شفافیت هستند.

تشخیص الماسهای مصنوعی

آزمایشگاهآنتورپ و چند تایى دیگر در سراسر جهان براى تشخیص الماسهاى مصنوعى بطور عمده از دونوع دستگاه استفاده مى کنند. در دستگاه نوع اول با تابش نور به الماس مشخصات طیفىنور جذب یا ساطع شده تجزیه و تحلیل مى شود. اگر نشانه هایى از الماس مصنوعى مشاهده شد، آزمایشگاه دستگاه دوم را بکار مى گیرد که این دستگاه براى آشکار ساختن ساختاردرونى کریستال از نور فرابنفش استفاده مى کند. این دستگاهها نقصهاى موجود در الماسرا حتى در مقیاس میکروسکوپى یا اتمى نیز بررسى مى کنند.

در واقع الماسها نیزدرست مثل درختان داراى حلقه هاى رشدى در اطراف هسته درونى هستند. الماسهایى که درآزمایشگاه تولید یا براى تغییر رنگ دستکارى شده باشند، ساختار رشد متفاوتى از خودنشان مى دهند. بنابراین با اینکه آزمایشگاهها با استفاده از این دستگاهها قادر بهتشخیص 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 بارتوسط گروهی از دانشمندان سوئدی در سال 1953ساخته شده است. جنرال الکتریک در سال1954 برای اولین مرتبه با استفاده از گرافیت در فشار 50 تا 60 کیلو بار و دمای 1500درجه سانتیگراد توانست الماس مصنوعی بسازد.
در روش جدید که توسط ژاپنیها ابداعگردیده ، بخار کربن بر روی یک صفحه سرد جمع می شود، ابتدا CH4 و H2 در میکروویو دردمای بیش از 2000 درجه سانتیگراد حرارت داده می شود و بخار کربن بر روی یک صفحه سردمتمرکز می شود.

موارد مصرف الماس

الماسدارای مصارف صنعتی و زینتی است. گر چه الماس را بیشتر به عنوان زینت بخش می شناسند،ولی بیش از 80 درصد آن به مصارف صنعتی می رسد. میزان الماس مصرفی در صنعت از 74درصد در سال 1934 به 89 درصد در سال 1979 فزونی گرفته است. مصارف عمده الماس درصنعت جهت برش مواد بسیار سخت نظیر فولادهای آلیاژی و کاربید تنگستن ، ساییدن ، ارهکردن سنگ و بتون و حفاریها بکار می رود.

تقسیم بندی الماسها بر اساس مصارف صنعتی



الماسها بر اساس مصارف صنعتی آنها به چهارگونه تقسیم می شوند:
  1. الماس صنعتی که به علت شکل و رنگ آن ، مصرف زینتی ندارد.
  2. الماس بورت که قطعه های کوچک و شکل نامناسب دارد.
  3. الماس کاربونادو که مخلوطی از الماس ، گرافیت و کربن بی شکل (آمورف) است.
  4. الماس بالاس


  1. 12.5 درصد الماس تولیدی جهان به مصرفساختمته های حفاریو چالهزنی می سرد. 2.5 درصد دیگر هم از الماس تولیدی در ساختن ماشینهای برش و پولیش و 75درصد دیگر به صورت پودر و یا مواد ساینده به مصرف می رسد. مصارف صنعتی الماس بهاختصار شامل ،مته های الماسی،مواد ساینده ها،اره های الماسی،لوازم دندانپزشکیو جراحی و دستگاههای برشی و پولیش می گردد.
الماس در صنعت الکترونیک

به گفته جیمزباتلر (J.Butler)، یکى از شیمیدانان محقق در آزمایشگاه تحقیقات نیروى دریایى ایالاتمتحده ، به لحاظ تاریخى سه مشکل عمده سر راه استفاده از الماسهاى طبیعى درکاربردهاى الکترونیکى وجود داشته است. الماسهاى طبیعى همیشه به شکل بازدارنده اىبراى استفاده همه جانبه گران بوده اند و یافتن سنگهاى بزرگ با خلوص کافى نیز بسیاردشوار است. علاوه بر این هیچ دو سنگى دقیقاً شبیه هم نیستند و خواص منحصر به فرد درهر یک مى تواند مشکلاتى را در مدارهاى الکترونیکى به بار آورد. آخرین مشکل دراستفاده از الماس براى کاربردهاى الکترونیکى و کامپیوترى نیز نیاز به دو نوع الماسیعنى 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 راهمقرون به صرفه اى براى استفاده از آنها پیدا نشده است. به هر حال الماسهاى مصنوعىاین مشکلات را برطرف مى کنند. به گفته رابرت لینارس (R. Linares) ،بنیان گذار کمپانى آپولو دیاموند براى مثال مى توان با افزودن ناخالصى فلز برون بهالماس ، نوع P یعنى الماس آبى را تولید کرد.

بطور مشابه دانشمندان مى توانندبا افزودن فسفر به الماسهاى بى رنگ ، الماس نوع n را نیز تولید کنند. ما براىاستفاده از الماس به نوع نیمه رسانا در دستگاههاى الکترونیکى پرقدرت نیاز به ترکیبىلایه اى از این دو نوع الماس داریم. علاوه بر این با توجه به اینکه الماسهاى بى رنگخالص در عمل بیشتر از آنکه رسانا باشند عایق هستند، مى توان لایه هایى از آنها رابه این ترکیب افزود.

امروزه نیم رساناهاى بسیارى مثلسیلیکوندر گستره وسیعى ازدستگاههاى الکترونیکى بکار مى روند. اما الماس با توجه به دامنه تغییرات حرارتى وسرعت فوق العاده بیشترش ، تنها در مقایسه با خلاء است که عنواندومین نیم رساناى برتر جهانرا بهخود اختصاص مى دهد. الماس با داشتن چنین ویژگیهایى و بخصوص امروز که آزمایشگاه قادربه تولید سنگهاى خالص و ناخالص کنترل شده اند، مى تواند پایه گذار انواع سراسرنوینى از دستگاههاى الکترونیکى پرقدرت باشد. با اینکه استفاده از الماس در صنایعالکترونیک به چند دهه دیگر واگذار شده است، اما به اعتقاد لینارس این سنگ قیمتىصنایع نیم رسانا سازى را به کلى دگرگون خواهد کرد.

خواص متمایز الماس
  • الماس در بین جامدات در دمای اتاق بالاترین هدایت گرماییرا دارد. (هدایت گرمایی آن ۵ برابر مس است)
  • الماس مادهٔ نوری ایده آلی است که توانایی انتقال طیف نوریمادون قرمز تا ماورای بنفش را دارا است.
  • شاخص بازتابش بسیار بالایی دارد.
  • خواص نیمه رسانایی قابل توجهی دارد. شکست الکتریکی آن بطورمتوسط ۵۰ برابر نیمه رساناهای متداول است.
  • در برابر تابش نوترونی به شدت مقاوم است.
  • سخت ترین مادهٔ شناخته شده است.
  • در مجاورت هوا روانی طبیعی فوق العاده ای دارد (مانندتفلون)
  • استحکام و صلبیت بسیار بالایی دارد.
با وجود این خواص منحصربه فرد، قیمت بالای آنجلوی کاربرد گستردهٔ آن را می گیرد و دانشمندان به دنبال پیدا کردن روش های تازهبرای سنتز آن هستند.
برخى از کاربردهاى عملى الماس
  • لوازم الکترونیکى ولتاژ و توان بالا مثل ترنهاى سریعالسیر.
  • دستگاههاى فرکانس بالا مثل رادارهاى پرقدرت و ایستگاههاىمخابراتى سلولى.
  • دستگاههاى میکرو و نانو الکترو مکانیکى مثل ساعتها وفیلترهاى 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 یاپنجره شاتلهاى فضایى بکار می رود.
  • الکترودهاى الماسى مقاوم به خوردگى که مى تواند محیطهاىآلوده را پاک کند.