Diamantes sintéticos: Produção e aplicações

Introdução:

As gemas de diamante são conhecidas, apreciadas e valorizadas pelo seu brilho e dureza, há vários milênios. O preço do quilate do mineral lapidado é bastante elevado, já que ele é extremamente raro na natureza e a procura é bem maior do que a oferta no mercado.
Há mais de 200 anos é conhecido que o diamante é formado apenas de carbono. Muitos esforços foram realizados para sintetizar diamante utilizando como matéria prima outro material constituído apenas de carbono como, por exemplo, a grafite. Isso demonstrou–se extremamente difícil à temperatura e pressão ambientes, mesmo que as entalpias do diamante e da grafite difiram-se apenas por 2.9 KJmol-1, ainda existe uma larga barreira de ativação separando as duas fases carbônicas. Ironicamente, a grande barreira energética que faz o diamante ser tão raro, é também responsável pela existência dele. Uma vez formado, o diamante não se converte espontaneamente à fase mais estável - a grafítica - a temperatura e pressão ambiente. Por causa disso, o diamante é conhecido como uma fase metaestável do carbono - cineticamente estável, porém termodinamicamente instável - às condições normais de temperatura e pressão.

Técnicas de produção:

A produção de diamante artificial é uma tentativa de suprir a escassez do material no mercado. Os primeiros relatos sobre diamantes sintetizados datam de meados do século XX. Naquela época, a técnica utilizada foi a HPHT (sigla do inglês: High Pressure High Temperature). Nessa técnica, amplamante utilizada atualmente, a grafite é comprimida em uma prensa hidráulica por 10000 atm e aquecida a mais de 2000K na presença de um catalisador metálico adequado – segredo industrial - produzindo diamante na forma de monocristais que são geralmente menos puros que os diamantes naturais, por isso de menor valor comercial.

A partir dos anos 1960, começou a ficar conhecida a possibilidade de sintetização de diamante através do processo de deposição química a partir da fase vapor CVD (do inglês: Chemical Vapor Deposition), com a publicação do trabalho de Eversole. A técnica CVD fundamenta-se na transformação de moléculas gasosas em materiais sólidos na forma de filmes finos sobre substrato. Todos os sistemas de deposição por CVD partilham, basicamente, do mesmo princípio de funcionamento. Requerem alimentação por fluxo contínuo de moléculas que contenham carbono em sua estrutura. Estas moléculas estão usualmente no estado gasoso e fluem, geralmente, com hidrogênio molecular. Uma fonte de ativação energética é utilizada pelo sistema com dois propósitos: (i) dissociar as moléculas precursoras em radicais para que reajam sobre a superfície do substrato e (ii) dissociar as moléculas de hidrogênio em átomos. Filmes diamanteros são produzidos em câmaras de pressões subatmosféricas (geralmente na faixa de 10 a 140 Torr) e podem apresentar qualidades similares aos diamantes naturais.
Enquanto a técnica HPHT produz cristais diamantíferos que podem ser fixados, por exemplo, em ferramentas abrasivas, a técnica CVD viabiliza o revestimento de superfícies de materiais que não tenham ponto de fusão ou amolecimento a temperatura inferior a, pelo menos, 700C, com diamante.
Nos últimos anos surgiram trabalhos indicando a posibilidade de crescimento de filmes de carbono por processo eletroquímico - eletrólise. Ela tem atraído muita atenção na comunidade científica devido à economia e conveniência, destacando-se devido a viabilidade de realizar crescimentos à temperatura ambiente, simplicidade experimental e fácil manuseio operacional. O processo eletroquímico permite o uso de um amplo número de substratos, como por exemplo, o polímero que não resisti ao calor aplicado nas técnicas HPHT e CVD. Existem evidências experimentais que a maioria dos materiais que podem ser depositados a partir da fase vapor CVD podem também ser depositados na fase líquida e vice-versa. O grande inconveniente dessa técnica é a dificuldade de se obter filmes uniformes e homogêneos, e, principalmente, baixa taxa de deposição.

Propriedades e Aplicações:

Aplicações de diamantes sintéticos vão muito além da confecção de jóias, passando por eletrodegradação de compostos persistentes no meio ambiente aquoso – tratamento de águas, eletroanálise, eletrodetecção, confecção de LED’s, microeletrônica, próteses ósseas, telas de LCD, ferramentas de corte e perfuração, células solares, superfícies que necessitam de baixa fricção etc. Cada técnica de produção do diamante, produz materiais com características singulares, os quais podem melhor adaptar a determinada aplicação.
O grande leque de aplicações dos diamantes sintéticos deve-se ao fato de suas propriedades serem bastantes similares as propriedades únicas dos diamantes naturais. Em muitos casos as propriedades dos diamantes são superlativas, por exemplo, ele é conhecido como material mais duro na natureza (maior módulo de Young - 10.000 kg/mm2), o coeficiente de atrito do diamante é somente 0,05, mais baixo que do teflon. Possui a mais elevada condutividade térmica (20 W/cm.K), valor cinco vezes superior ao do cobre – excelente condutor. Possui também afinidade eletrônica negativa, isto é, nenhuma ou baixa energia é necessária para extrair elétrons da superfície do diamante em um ambiente de vácuo.
As propriedades óticas mais importantes são: índice apropriado de refração (2,47) e um pequeno coeficiente de absorção da luz desde o infravermelho até a região do ultravioleta. O diamante não reage com ácidos comuns mesmo em temperaturas elevadas. De maneira geral, as propriedades físico-químicas dos diamantes sintéticos são muito similares as dos diamantes naturais salvo algumas exceções produzidas propositalmente ou não. Por exemplo, como o diamante é um excelente isolante elétrico, não seria possível utilizá-lo para conduzir eletricidade, a não ser que fosse feito algum tipo de dopagem no processo de sua produção, transformando-o em um semicondutor.

Considerações finais:

Grupos de pesquisa de ponta de todo o mundo estão investigando novos materiais, dentre os quais os diamantíferos vêm destacando-se. Aplicações com esses novos materiais já podem ser verificadas em diversos artigos científicos, os quais geralmente são publicados em revistas internacionalmente renomadas. Sem dúvida nenhuma os diamantes sintéticos terão um futuro brilhante.

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