148372. lajstromszámú szabadalom • Eljárás gyémántok szintétikus előállítására

o Megjelent: 1961. június 30. ORSZÁGOS TALÁLMÁNYI HIVATAL SZABADALMI LEÍRÁS 148.372. SZÁM 12. i. 33—40. OSZTÁLY — CU—69. ALAPSZÁM Eljárás gyémántok szintetikus előállítására Ciisters Jan Frans Henri vezető kutató, Dyer Henry Brooke kutató, Senior Bemard Wilfred kutató és Wedepohl Peter Theo kutató, johannesburgi (Délafrikai Unió) lakosok A bejelentés napja: 1959. november 7. Délafrikai Unióbeli elsőbbsége: 1959. október 23. . A jelen találmány gyémánt szintézisére vonatkozik. Ismeretes, hogy légköri nyomáson a gyémánt nem a szén termodinamikailag stabil alakja; a gyémánt csupán olyan hőmérsékleti és nyomási körülmények között stabil, amelyek a szén fázisdiagramján a gyémánt és a grafit közötti egyensúlyi feltételeket képviselő vonal feletti zónába esnek. Bár ennek a vonalnak a diagrammon való helyzetét eddig valószínűleg még nem sikerült kísérletileg megállapítani az ilyen vizsgálatokkal járó rendkívüli nagy nehézségek miatt, elméletileg már kiszámították e vonal helyzetét; az erre vonatkozó legpontosabb kifejezés valószínűleg a következő alakú: Egyensúlyi nyomás atm-ban = 700 -f- 27 x abszolút hőmérséklet (Kelvin fok). Ezt az egyensúlyi vonalat feltüntető fázisdiagrammot (Berman és Simon számítása szerint) a csatolt rajz szemlélteti, amelyen az említett egyensúlyt jelző vonal feletti gyémántmező D-vel és az alatta levő grafitmező pedig G-vel van jelölve. A diagram P ordinátáján feltüntetett nyomásértékek 1000 atm-ban értendők. Amennyire az eddig közzétett adatok alapján megállapítható, az általános felfogás eddig ebben a kérdésben az volt, hogy a gyémánt képződéséhez szükséges feltételek oly módon elégíthetők ki, hogy a szenet egymagában a fázis-diagram egyensúlyi vonalának megfelelő értékeket éppen meghaladó hőmérsékleti és nyomási körülményeknek, tehát a gyémánt stabilitási zónájának és egyben a grafit instabilitási zónájának határain belül eső hőmérsékletnek és nyomásnak tesszük ki. Űgy vélték, hogy a grafit-állapotú szénnek pusztán az ilyen nyomási és hőmérsékleti viszonyoknak való kitétele már gyémánt képződésére vezet; a gyakorlatban azonban ezt az eredményt nem sikerült mérhető reakciósebesség biztosításával elérni. A bejelentők vizsgálatai arra a következtetésre vezettek, hogy van a szénnek egy olyan közbenső gerjesztett állapota, amelyen a grafitos szénnek keresztül kell haladnia ahhoz, hogy közvetlenül gyémánttá alakulhasson át. Mind a grafitnak, mind a gyémántnak ebben a gerjesztett állapotba való átmenetét alacsony hőmérsékleteken egy energiagát akadályozza; ezt az energia-gátat le kell győzni ahhoz, hogy a gerjesztett állapotba való átmenet végbemehessen. Az említett energia-gát legyőzéséhez szükséges energiát rendes körülmények között a hőmérséklet emelése útján adhatjuk át a szénnek. Ebben az említett közbenső állapotban a szén fajlagos térfogata számottevően nagyobb, mint akár a grafit-, akár a gyémánt-állapotban. így tehát a nyomás növelése azzal a hatással jár, hogy az energia-gát magasságának növelése révén gátolja akár a grafitnak, akár a gyémántnak a közbenső állapotba való átmenetét. A követelmények itt tehát egymással ellentétesek, amennyiben a gyémánt stabilitásához szükséges nyomás a hőmérséklettel növekszik, viszont a nyomás növelésével növekszik a legyőzendő energia-gát magassága, ami ismét a hőmérséklet emelését teszi szükségessé; ez a helyzet a bejelentőket arra a kísérletileg is megerősített meggyőződésre vezette, hogy a grafit-állapotú szénnek gyémánttá való közvetlen átalakítása kb. 2400 C°ig menő hőmérsékleteken és kb. 90 000 atm-ig menő nyomásokon gyakorlatilag szóbaj öhető — néhány hetinél rövidebb — időtartamon belül nem megy végbe. A bejelentők azonban arra a következtetésre jutottak, hogy a gyémánt eenrgetikailag eléggé kedvező feltételek melletti szintézise lehetségessé válnék, ha létre lehetne hozni valamely olyan folyamatot, amelynek során a szén a közvetlen átalakulás esetében beálló közbenső állapottól különböző, előnyösebb átmeneti állapotba lenne hozható. Széleskörű kísérletek alapján sikerült egy ilyen folyamatot valóban létrehozni. Ha a nyomás alatt álló kamrában feleslegben levő mennyiségű grafitból és valamely a szén oldására képes anyagból indulunk ki és olyan nyomást és hőmérsékletet érünk el, amelyek az egyensúlyi feltételeknek fe-