Método HPHT para la síntesis de diamantes

Los diamantes HPHT deben su nombre a las condiciones utilizadas en su producción: alta presión y alta temperatura (High Pressure, High Temperature). Estos parámetros fueron ajustados gradualmente a lo largo de varias décadas, tomando como referencia las condiciones naturales en las que se forman los diamantes en el manto terrestre. Las condiciones de síntesis fueron descritas por primera vez en 1939 por el químico soviético O. I. Leipunsky: una presión de entre 6 y 7 GPa y una temperatura de entre 1500 y 1700 °C [1].

Tipos de prensas HPHT

Existen cuatro tipos principales de prensas utilizadas para la síntesis de diamantes mediante el método HPHT:

• Prensa cúbica
• Prensa tipo cinturón (Belt press)
• Prensa toroidal
• Sistema BARS (prensa de esfera dividida)

Cada una presenta un diseño distinto y se adapta al crecimiento de cristales con tamaños y calidades específicas.

Proceso de síntesis

El proceso comienza con la selección de una celda de crecimiento, en la que se introducen los siguientes componentes:

• Una o más semillas de diamante, que actúan como centros de nucleación donde los átomos de carbono forman monocristales.
• Un catalizador metálico disolvente — una aleación patentada como Ni-Fe-C o Co-Fe-C — que disuelve el grafito, acelera el crecimiento y reduce las inclusiones.
• Una fuente de carbono, generalmente en forma de polvo de diamante o grafito.

En Europa, se fabrican a menudo diamantes conmemorativos mediante tecnología HPHT, utilizando como fuente de carbono cenizas humanas, un mechón de cabello, un ramo de novia u otros materiales simbólicos.

Condiciones de crecimiento

La celda ensamblada se coloca en la prensa, donde se aplica una presión de 50,000 a 60,000 atmósferas y se calienta mediante resistencias eléctricas hasta alcanzar los 1300 – 1600 °C. Estas condiciones imitan el entorno natural de formación de los diamantes en el manto terrestre.

Cuando se alcanzan la temperatura y presión objetivo, el carbono (generalmente en forma de grafito) se disuelve en el disolvente metálico fundido en la zona caliente. Luego migra hacia la zona más fría, donde se encuentra la semilla de diamante, sobre la cual se inicia el crecimiento del cristal. Al cuarto día, el diamante en bruto puede alcanzar un tamaño de hasta 2 quilates [2].

La temperatura se controla de forma constante para que la zona que contiene la fuente de carbono se mantenga aproximadamente 30 °C más caliente que la zona de la semilla. Aumentar esta diferencia acelera el crecimiento cristalino, pero a menudo compromete la calidad. En promedio, el proceso de síntesis HPHT dura entre 5 y 10 días.

Influencia de los aditivos

Diversos aditivos introducidos en el disolvente metálico afectan significativamente el color y la calidad de los cristales:

• El aluminio y el titanio capturan nitrógeno, responsable del color amarillento, lo que permite obtener diamantes incoloros.
• El boro permite formar diamantes azules o incoloros con conductividad eléctrica, muy valorados tanto en joyería como en la industria electrónica. Estos diamantes, una vez tallados, pueden mostrar un ligero tono azulado al observarse por el pabellón.

La concentración de estos aditivos se ajusta con gran precisión para lograr el tono deseado y una claridad óptica adecuada. Esta capacidad de control permite crear diamantes con propiedades físicas y estéticas a medida.

Procesamiento posterior

Al finalizar el proceso de síntesis, la masa solidificada que contiene los cristales de diamante se trata con una mezcla de ácidos en ebullición (normalmente 90 % ácido sulfúrico y 10 % ácido nítrico). Como el diamante es resistente a ácidos y álcalis, este tratamiento disuelve el disolvente metálico solidificado y deja el material limpio. Posteriormente, los diamantes se enjuagan con agua y se envían para su procesamiento final.

El método HPHT produce dos tipos principales de material:

• Bort — polvo de diamante policristalino para aplicaciones industriales.
• Monocristales — cristales individuales utilizados en joyería y herramientas de alta precisión.

Los monocristales suelen presentar una forma cubo-octaédrica, cuyo tamaño depende de los parámetros del proceso de crecimiento: dimensiones de la celda y condiciones de síntesis [3].

Tras el tratamiento ácido, los diamantes en bruto se someten a un proceso de corte y tallado. El tallador examina cuidadosamente cada cristal para identificar las zonas más limpias y sin inclusiones, y determina la forma que mejor aproveche su potencial. En algunos casos, el diamante se talla según la forma que adquirió durante la síntesis. A estos se les conoce como diamantes «As-grown».

El método HPHT no solo permite replicar el proceso natural de formación de diamantes, sino que también posibilita la creación de cristales con características diseñadas a medida, desde el color hasta la conductividad eléctrica.Las tecnologías modernas siguen evolucionando, y los diamantes perfectos en forma, pureza y color están cada vez más al alcance, no solo para la joyería, sino también en campos como la medicina, las tecnologías cuánticas y la industria de alta tecnología.