¿Como se fabrica el diamante?

Cómo se fabrica el diamante: del grafito a la gema en un laboratorio

La pregunta de cómo se fabrica el diamante tiene una respuesta fascinante que arranca en 1797, cuando se comprobó que el diamante era carbono puro. Desde ese momento, la humanidad persiguió la idea de transformar formas baratas de carbono en gemas. Los primeros intentos serios datan de 1879 (James Ballantyne Hannay) y 1893 (Henri Moissan), quienes calientaron hulla a unos 3500 °C junto con hierro en un horno y enfriaron el metal fundido en agua de golpe, creyendo que ese choque térmico generaría la presión suficiente para convertir grafito en diamante. Durante casi medio siglo, entre 1879 y 1928, hubo múltiples reclamos de éxito, ninguno confirmado. Sir Charles Algernon Parsons dedicó unos 30 años (1882-1922) a replicar aquellos experimentos sin que nadie aceptara su triunfo.

La investigación verdaderamente sistemática arrancó en 1940, simultáneamente en Estados Unidos, Suecia y la Unión Soviética. Se pusieron en marcha dos caminos: la deposición química de vapor y la combinación de alta presión con alta temperatura. En 1941, General Electric, Norton y Carborundum firmaron un acuerdo para desarrollar la síntesis, logrando calentar carbón hasta cerca de 3000 °C bajo una presión de 3,5 GPa durante unos segundos. La Segunda Guerra Mundial interrumpió el proyecto, que se retomó en 1951 en los laboratorios de Schenectady.

El hito definitivo llegó el 16 de diciembre de 1954, cuando Howard Tracy Hall logró la primera síntesis comercialmente exitosa y reproducible, anunciada públicamente el 15 de febrero de 1955. Usó una prensa de correa capaz de superar los 10 GPa y temperaturas por encima de los 2000 °C. Lo curioso es que la compañía sueca ASEA había conseguido algo muy similar el 16 de febrero de 1953, en un proyecto ultrasecreto llamado QUINTUS, manteniendo 8,4 GPa durante una hora, trabajo que permaneció oculto hasta la década de 1980.

En la prensa de correa original se introducía un contenedor de pirofilita relleno de grafito disuelto en níquel, cobalto o hierro fundido. Esos metales actuaban como solvente-catalizador, disolviendo el carbono y acelerando su conversión en diamante. El primer cristal medía apenas 0,15 mm, demasiado pequeño para joyería, pero muy útil como abrasivo industrial. Los primeros cristales de calidad gema se crearon en 1970 por General Electric: un tubo de pirofilita con delgadas piezas de diamante en los extremos, grafito al centro y níquel como solvente entre ambos. La presión subía hasta 5,5 GPa y el material fluía desde el centro hacia las semillas, haciendo crecer el cristal. Una semana de proceso producía piedras de unos 5 mm (1 quilate), y pronto el grafito se reemplazó por granos de diamante para controlar mejor la forma final.

El método HPHT (alta presión y alta temperatura) es uno de los dos pilares actuales. Recrea las condiciones del manto terrestre, con presiones de 5 a 6 GPa (equivalentes a 150-190 km de profundidad) y temperaturas de 1300 a 1600 °C, superiores a las de formación natural (1040-1250 °C) para acelerar el crecimiento. Se usa polvo de grafito como fuente de carbono, un fundente metálico (hierro, níquel o cobalto) y una semilla de diamante a menor temperatura donde cristaliza el material al sobresaturarse la solución metálica.

Dentro del HPHT existen tres diseños de prensa:

• Prensa de cinta o correa: desarrollada por GE, con yunques superior e inferior que aplican carga a una célula cilíndrica limitada por un cinturón de bandas de acero pretensado. Los yunques también son electrodos que calientan la celda. Ideal para producción en volumen de diamantes pequeños.
• Prensa cúbica: seis yunques presionan todas las caras de un volumen cúbico, es más compacta, alcanza antes las condiciones necesarias y ofrece distribución de presión más uniforme. Produce piedras más grandes de calidad excepcional para joyería de gama alta.
• Prensa BARS (esfera fraccionada): ocho segmentos esféricos logran una uniformidad excepcional.

Un dato que sorprende: un diamante HPHT puede fabricarse desde una hora hasta varias semanas, según tamaño y calidad. Por razones económicas la mayoría se detiene entre 1 y 1,5 quilates, aunque el Diamond Research Laboratory de De Beers ha hecho crecer piedras de hasta 25 quilates manteniendo condiciones estables durante seis semanas.

Los primeros diamantes HPHT tenían colores saturados de fantasía: amarillo anaranjado o amarillo por impurezas de nitrógeno, o azul por boro. En los últimos 10 a 15 años el sector ha virado hacia productos incoloros. Añadir aluminio o titanio elimina el nitrógeno y produce piedras blancas; eliminar nitrógeno y añadir boro da diamantes azules, aunque eso ralentiza el crecimiento y reduce la calidad cristalina.

El método CVD adopta un enfoque completamente distinto, descrito como la construcción de un diamante en capas, con presiones y temperaturas más bajas que el HPHT. Una fina placa o semilla de diamante se coloca en una cámara de vacío sellada (reactor) llena de gases ricos en carbono: típicamente hidrógeno (90-99%) y metano (1-5%). La energía de microondas, habitualmente a 2,45 GHz, convierte la mezcla en plasma que descompone las moléculas de metano, liberando átomos de carbono (radicales CH3 y C2H2) que migran hacia las semillas enfriadas y se depositan sobre ellas, haciendo crecer el diamante verticalmente, capa por capa. El hidrógeno cumple una doble función: promueve el crecimiento del diamante y ataca las estructuras de carbono no diamantadas, suprimiendo la formación de grafito.

Las condiciones CVD son muy específicas: