תהליך חדש מבטיח גבישי יהלום גדולים ואיכותיים יותר

חוקרים ממכון קרנגי פיתחו שיטה חדישה לשיפור התכונות של יהלומים – לא רק הוספת ברק לאבני-חן אלא גם פישוט התהליך להכנת להבי אזמלים, רכיבים אלקטרוניים ואפילו רכיבים למחשבים קוואנטים.

אומנם יהלום לנצח, אך אותם המאפיינים ההופכים אותו לחומר עדיף למטרות רבות – קשיותו, שקיפותו האופטית ועמידותו לכימיקלים, קרינה ושדות חשמליים – הופכים אותו גם לחומר שאינו קל לעיבוד. ניתן להפחית את הפגמים המבניים בו ע”י תהליך חימום הקרוי חישול (annealing), אך התהליך עלול להפוך יהלום לגרפיט, הצורה הרכה והאפורה של פחמן המשמשת בחודי העפרונות. בכדי למנוע זאת, הטיפול ביהלומים נדרש בעבר ללחצים גבוהים במהלך החישול (עד פי שישים אלף מהלחץ האטמוספרי), עובדה ההופכת את התהליך כולו ליקר וכן למוגבל בכל הנוגע לגדלים ולכמויות של היהלומים המטופלים.

ממצאי המחקר פורסמו בחודש אוקטובר בכתב-העת המדעי Proceedings of the National Academies of Science. מספר חוקרים מהמעבדה הגיאופיסית של מכון קרנגי השתמשו בשיטה הקרויה “רִבּוּץ אֵדִים כִּימִיִּים” CVD) ,chemical vapor deposition) להכנה של יהלומים סינתטיים לשם ביצוע ניסוייהם. שלא כמו השיטות האחרות, המחקות את הלחצים הגבוהים הקיימים במעמקי האדמה, שם נוצרים היהלומים הטבעיים, בשיטה זו מקבלים יהלומים חד-גבישיים בלחץ נמוך. היהלומים המתקבלים בשיטה זו, ובמהירות, הינם בעלי הרכבים מבוקרים ומיעוט של פגמים.

צוות המחקר ביצע בשלב הבא חישול של היהלומים הללו בטמפרטורה של עד אלפיים מעלות צלסיוס תוך שימוש בפלזמת גלים-זעירים (microwave plasma) בלחצים הנמוכים מהלחץ האטמוספרי. הגבישים, שצבעם המקורי הינו צהוב-חום, באם התקבלו בקצבי צמיחה גבוהים מאוד, הפכו לחסרי-צבע או ורדרדים. למרות העדרו של לחץ מייצב עדיין התרחשה גרפיטיזציה מזערית. תוך שימוש בשיטות אנליטיות כגון נְהוֹרָנוּת אוֹר (פוֹטוֹלוּמִינֶסֶנְטִיּוּת, photoluminescence) וספקטרוסקופיית בליעה, החוקרים יכלו גם לזהות את הפגמים הספציפיים בגביש שהיו אחראיים לשינויי הצבע. במיוחד, הצבע הורוד התקבל ע”י מבנים המכונים מרכזים “חסרי-חנקן” (nitrogen-vacancy), בהם אטום חנקן מחליף את מקומו של אטום פחמן בסריג הגבישי בצמוד לאתר פנוי.

“חישול זה, בלחץ נמוך ובטמפרטורה גבוהה, מגביר את התכונות האופטיות של גבישי יהלום אלו,” אומר אחד החוקרים. “אנו מבחינים בהפחתה משמעותית של כמות הקרינה הנבלעת לרוחב הספקטרום מאור על-סגולי לאור נראה ותת-אדום. כמו-כן יכולנו לקבוע כי ההפחתה נובעת משינויים במבנה הפגום וקשורה לאטומי מימן המשתרבבים לסריג הגבישי במהלך הכנתו. מפתיע לראות כיצד יהלומים חומים המתקבלים בתהליך זול זה הופכים לגבישים ורודים ושקופים,” אומר אחד מהחוקרים. ומכיוון שהחוקרים הצביעו במדויק על הסיבה לשינויי הצבע ביהלומים שלהם, “המחקר שלנו יוכל גם לעזור לתעשיית אבני-החן להבדיל בין יהלום טבעי לסינתטי.”

“ההיבט המרתק ביותר של תהליך חישול חדש זה הינו בגודל הבלתי-מוגבל של היהלומים הניתנים לטיפול בו. פריצת הדרך תוכל לאפשר לנו ליצור יהלומים של קילוקאראטים ובעלי איכות אופטית גבוהה,” מציין אחד מהשותפים לכתיבת המאמר. מאחר והשיטה אינה נדרשת ללחצים גבוהים היא מבטיחה עיבוד מהיר יותר של יהלומים וקבלת מגוון רחב יותר של סוגי יהלומים שיוכלו לעבור תהליך של הסרת-צבע (de-colored) מאשר שיטות החישול הנוכחיות הנדרשות ללחץ גבוה.

“התהליך המיטבי יאפשר קבלת יהלום איכותי יותר לשימוש בהתקני לחצים גבוהים מדור חדש וחומרים לחלונות בעלי תכונות אופטיות משופרות בתחום שבין הקרינה העל-סגולה לתת-אדומה.”

ליהלום החד-גבישי בעל האיכות הגבוהה שנוצר בתהליך החדש ישנו מגוון נרחב של יישומים במדע ובטכנולוגיה, כגון השימוש בו כסדן (anvil) במחקרים של לחץ גבוה וביישומים אופטיים המנצלים את שקיפותו יוצאת-הדופן של היהלום. בין היישומים העתידיים היותר מרתקים של היהלומים הורודים שהתקבלו בשיטה זו מצוי היישום במחשוב קוונטי, אשר יוכל להשתמש באתרים הפנויים של היהלום לאחסון מידע קוונטי.

הידיעה המקורית ממכון קרנגי