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09.07.2025
Quilate: una unidad pequeña con gran importancia
El quilate es una unidad de masa utilizada para pesar piedras preciosas; determina no solo su peso, sino también su prestigio y valor en el mercado. No es común reflexionar sobre el origen de este término, cuyos orígenes se remontan a la Antigüedad. Hoy en día, esta unidad es fundamental en la joyería de alta gama.
Pero ¿cuánto pesa exactamente un quilate en gramos? ¿Cómo se ve un diamante de un quilate a simple vista? ¿Y en qué se diferencia el quilate del oro del quilate del diamante? Vamos a aclararlo.
La historia del quilate: de la Antigüedad hasta nuestros días
La palabra «quilate» proviene del griego kerátion (κεράτιον), diminutivo de kéras (κέρας), que significa «cuerno». Sin embargo, históricamente el término está vinculado a los frutos del algarrobo (Ceratonia siliqua), cuyas vainas curvas recordaban pequeños cuernos.
Los frutos y semillas del algarrobo (Ceratonia siliqua), también conocido como ceratonia. El polvo elaborado a partir de sus semillas — conocido como algarroba — se utiliza como sustituto del cacao por personas sensibles a la cafeína
Los comerciantes de la Antigüedad observaron que las semillas de este árbol presentaban una masa casi constante — alrededor de 0,2 gramos, con mínimas variaciones. Esta propiedad única las convirtió en patrones naturales de peso para piedras preciosas. Así, los modestos frutos del algarrobo sentaron las bases de la metrología gemológica, y el «quilate» se consolidó como símbolo de precisión, manteniéndose vigente a lo largo de milenios.
Durante la Edad Media, los joyeros de distintos países se enfrentaron a una dificultad: a pesar de su sorprendente uniformidad, las semillas de algarrobo presentaban diferencias mínimas pero críticas en su peso. Los comerciantes italianos en Génova utilizaban quilates «pesados» (hasta 0,22 g), mientras que los mercaderes árabes en Alejandría adoptaban estándares más «ligeros» (cerca de 0,18 g). En grandes transacciones, una diferencia de apenas 0,04 g por cada diamante de 10 quilates representaba una pérdida de 0,4 g — una cantidad significativa.
El peso promedio de una semilla de algarrobo equivale, aproximadamente, al de un diamante de un quilate
El problema se acentuó especialmente entre los siglos XVII y XVIII, cuando el volumen del comercio de piedras preciosas se incrementó de forma exponencial. En la Exposición de París de 1871 se presentaron 47 estándares distintos del quilate procedentes de varios países. Los joyeros franceses elaboraron una tabla comparativa con coeficientes de conversión entre los quilates «florentino», «veneciano» y «estambulí».
La situación cambió solo en 1907, cuando la IV Conferencia General de Pesas y Medidas, celebrada en París, estableció el quilate métrico unificado, equivalente exactamente a 200 miligramos (0,2 g) [1]. Esta decisión permitió:
eliminar las diferencias regionales; consolidar el sistema decimal de medición; mantener la conexión con el patrón natural, excluyendo sus imprecisiones.
Las Conferencias Generales de Pesas y Medidas se celebran en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas, en París, para definir los estándares de medición y otros aspectos de la metrología. Algunos de los logros de conferencias anteriores: 1.ª Conferencia (1889): se establecieron los prototipos internacionales del metro y del kilogramo; 2.ª Conferencia (1895): se aprobó la definición del metro basada en longitudes de ondas luminosas; 3.ª Conferencia (1901): se estableció una distinción clara entre los conceptos de masa y peso, y se adoptó el valor de la aceleración normal de la gravedad
Es interesante que la adopción del nuevo estándar llevara más de 20 años. En la URSS, el quilate métrico fue adoptado oficialmente en 1922 como unidad de peso para piedras preciosas. Desde entonces, la fórmula 1 quilate = 200 mg se ha convertido en el lenguaje universal de joyeros, gemólogos y coleccionistas en todo el mundo.
La medición del quilate en joyería
Los métodos para medir el peso de las piedras preciosas han recorrido un largo camino: desde las semillas del algarrobo hasta las modernas balanzas electrónicas. Hoy en día, cuando una diferencia de 0,01 quilate puede representar miles de dólares de diferencia, los especialistas emplean una amplia gama de instrumentos de alta precisión.
Existen varios tipos de balanzas utilizadas en el trabajo con diamantes:
Balanzas analíticas de alta precisión — se emplean en laboratorios de certificación como GIA, IGI o HRD. Estos dispositivos operan con una exactitud de hasta 0,0001 g (0,0005 ct) y están calibrados según normas internacionales. Se instalan en condiciones de temperatura y humedad estables, con aislamiento total frente a vibraciones. Balanzas de joyería con precisión de hasta 0,001 g — utilizadas en tiendas de alta gama y por gemólogos independientes. Son herramientas profesionales confiables para el trabajo diario, que permiten medir con una exactitud de hasta 0,005 ct. Balanzas digitales compactas para salones — modelos económicos con una precisión de hasta 0,01 g (0,05 ct). Son útiles para estimaciones orientativas, pero no aptas para certificación ni para establecer el valor exacto de una gema.
Balanzas para diamantes: 1 – Analítica, 2 – De joyería, 3 – Digital compacta
En el ámbito profesional, la medición del peso se realiza exclusivamente con balanzas calibradas y certificadas según los estándares de la OIML o del NIST, con control obligatorio de la temperatura y la nivelación del equipo. En algunos laboratorios, como el GIA, se aplican técnicas para eliminar la influencia del aire, como el pesaje en contenedores herméticos.
Así, medir quilates no es simplemente «colocar una piedra en la balanza», sino una operación de alta precisión que exige condiciones controladas y equipamiento adecuado, especialmente cuando se realiza una evaluación con fines de certificación.
Tamaño de un diamante de un quilate: ¿de qué depende el diámetro?
Cuando hablamos de un diamante de un quilate, es importante recordar que se trata de una medida de masa (0,2 g), no de un tamaño fijo. Un diamante con talla brillante redonda ideal y un peso de un quilate suele tener un diámetro aproximado de 6,4 a 6,5 mm [2].
Sin embargo, dos diamantes con el mismo peso pueden diferir notablemente en su tamaño visual, dependiendo de varios factores:
Tipo de talla.
Talla brillante redonda ideal (58 facetas): 6,4 – 6,5 mm.
Talla profunda: se percibe más pequeña (hasta 5,8 mm).
Talla plana: parece más grande (hasta 7,1 mm), pero si el pabellón no tiene suficiente profundidad, la luz se escapa por la parte inferior, reduciendo el brillo y el fuego del diamante.
Forma de la piedra.
Los diamantes ovalados, en forma de pera o marquesa pueden parecer entre un 10 % y un 15 % más grandes que los redondos, aun teniendo el mismo peso.
Proporciones y destreza del tallador.
Pequeñas variaciones en la profundidad del pabellón o en el ángulo de las facetas pueden influir considerablemente en la percepción del tamaño.
Diamantes de un quilate (de izquierda a derecha): con talla profunda, con talla ideal, con talla plana
¿Por qué es importante saberlo?
Al comprar en línea, podrás hacerte una mejor idea del tamaño real de la piedra. Comprenderás por qué algunos diamantes parecen más grandes aunque tengan el mismo peso. Evitarás decepciones: una piedra puede pesar un quilate, pero a la vista parecer más pequeña.
Al elegir un diamante, recuerda: el verdadero valor no está en los milímetros, sino en el juego de la luz y en la calidad de la talla.
Quilate vs. quilate: ¿peso o pureza?
Al continuar nuestro recorrido por esta pequeña medida de gran valor, vale la pena explorar una curiosidad lingüística: ¿por qué la misma palabra designa tanto el peso de un diamante como la pureza del oro? Esta coincidencia no es fortuita, sino el resultado de siglos de historia en el mundo de la joyería.
Es posible que la confusión se remonte a los tiempos en que los mercaderes en los bazares del Oriente utilizaban las semillas del algarrobo para diversos fines. Por un lado, pesaban con ellas piedras preciosas; por otro, las empleaban para valorar la calidad de las monedas de oro.
En el Imperio romano existía una moneda de oro llamada sólido, introducida por el emperador Constantino I a comienzos del siglo IV. El sólido pesaba unos 4,5 g y se dividía en 24 partes denominadas siliquae [3]. Cada siliqua pesaba aproximadamente 189 mg, lo que coincide con la masa promedio de una semilla de algarrobo.
Moneda de oro acuñada en el año 309 d. C. por el emperador Constantino. Sólido (del latín solidus: «sólido, firme; macizo»)
Al mismo tiempo, en fuentes árabes como las de Al-Juarismi (siglo IX), una vigésima cuarta parte se denomina «quirat» [4]. En este caso, el «quirat» es simplemente una división matemática en 24 partes, sin relación directa con el peso real de las semillas.
Este sistema de división en 24 partes se convirtió en la base para definir la pureza del oro:
24 quilates indican oro puro,
18 quilates corresponden al 75 % de oro en la aleación,
14 quilates, al 58,5 %,
12 quilates, al 50 %.
Hoy en día, ambos sistemas han evolucionado por separado, pero conservan un origen común:
Para piedras preciosas (ct), el quilate mantiene su raíz tradicional: 1 ct = 0,2 g, exactamente el peso de aquellas semillas.
Para el oro (K), el quilate pasó a ser una unidad matemática exacta: 24K = 99,9 % de oro puro.
Curiosamente, diferentes países resuelven esta dualidad de forma distinta. En Europa, por ejemplo, se escribe carat para piedras y karat para oro. En cambio, en ruso ambas palabras suenan igual, por lo que es fundamental prestar atención a la abreviatura: si ves «ct» después del número, se trata del peso de una gema; si ves «K», estás ante la ley del oro.
Esta aparente complejidad es, en realidad, una elegante solución que une tradición milenaria con precisión moderna. Igual que hace siglos, el “quilate” sigue siendo un lenguaje universal compartido por todos los amantes de lo bello: desde los orfebres de la Antigüedad hasta los gemólogos contemporáneos.
En Rusia se utiliza el sistema métrico de leyes del oro: 375, 500, 585 (583) y 750. Estas cifras corresponden respectivamente a 9K, 12K, 14K y 18K en el sistema de quilates utilizado en Europa. Las aleaciones de oro con leyes más altas — como 900 (22K), 958 (23K) y 999 (24K) — son menos frecuentes en el mercado de joyería
Conclusión
El quilate no es solo una unidad de medida: es una historia completa de comercio, ciencia y lujo. Hoy resulta imposible imaginar el mundo de la joyería sin él, y su origen sigue fascinando a los amantes de las piedras preciosas. Detrás de la abreviatura ct se esconden siglos de evolución: desde los bazares de la Antigüedad con semillas de algarrobo hasta las balanzas analíticas de alta precisión del siglo XXI.
El quilate se ha convertido en el lenguaje universal del mundo joyero, comprendido y respetado en todos los continentes. Es el quilate el que determina el valor, la rareza y el estatus de una gema. Pero aún más importante: le da al número 1,00 un significado especial. A veces, una centésima de quilate marca la diferencia entre lo ordinario y lo excepcional.
Hoy, cuando la tecnología permite medir con precisión microscópica, el valor del quilate no hace más que crecer. Sigue siendo no solo una medida de masa, sino también un símbolo de confianza, de gusto estético y de solidez como inversión en el arte joyero. Y su origen — arraigado en una antigua metáfora de la precisión natural — sigue inspirando respeto en todos los que aprecian la auténtica perfección.
Referencias
1. Comptes rendus des séances de la quatrième Conférence générale des poids et mesures [Actas de la Cuarta Conferencia General de Pesas y Medidas]: tenue à Paris en 1907. París: Bureau International des Poids et Mesures, 1907. 94 págs. 2. Shelementiev, Yu. B., et al. (Eds.). (2005). Brillianty: diagnostika, ekspertiza, otsenka: uchebno-spravochnoe posobie [Brillantes: diagnóstico, peritaje y valoración: manual académico y de referencia] (2ª ed., corr. y aum.). Moscú: MAKS Press. 209 págs. 3. Grierson, Ph. (1999) Byzantine Coinage [Acuñación bizantina]. Washington, D.C.: Dumbarton Oaks Research Library and Collection. 4. Rashed, R. (1994) The Development of Arabic Mathematics: Between Arithmetic and Algebra [El desarrollo de las matemáticas árabes: entre la aritmética y el álgebra]. Boston Studies in the Philosophy and History of Science [Estudios de Boston sobre la filosofía y la historia de la ciencia]. Dordrecht: Springer Dordrecht, 1994. 382 págs.
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18.04.2025
Historia de la síntesis del diamante
Le Chatelier
1908
Para el químico moderno, la síntesis del diamante representa un desafío tan seductor como lo fue la piedra filosofal para los alquimistas.
Confirmación del origen carbonoso del diamante (siglos XVII – XIX)
Los primeros experimentos documentados con diamantes datan de 1694, cuando los científicos florentinos Gianni Averani y Carlo Targioni, discípulos del gran Galileo, utilizaron una lente para concentrar la luz solar y demostraron que el diamante arde cuando se calienta lo suficiente.
En 1704, Isaac Newton, en su obra «Opticks», describió las propiedades de refracción de diversas sustancias, incluido el diamante. A partir de su índice de refracción, Newton concluyó que este mineral tenía una naturaleza carbonosa.
Isaac Newton, experimentos con la luz
En la primavera de 1772, Antoine Lavoisier, utilizando una enorme lupa de 84 cm de diámetro, quemó un diamante dentro de un recipiente de vidrio sellado. En experimentos posteriores, el científico determinó que tanto el diamante como el carbón vegetal, al arder, producían el mismo gas: dióxido de carbono. Este descubrimiento lo convenció de que tanto el diamante como el carbón estaban compuestos por el mismo elemento, al que llamó «carbono».
Antoine Lavoisier, la combustión del diamante en una «máquina de ignición»
Un par de décadas más tarde, en 1796, el químico británico Smithson Tennant repitió el experimento de Lavoisier sobre la combustión del diamante. En su ensayo utilizó un recipiente de oro, y dirigió el gas producido durante la combustión hacia una solución de agua de cal. Al observar la formación de carbonato de calcio (tiza) como precipitado — y medir su cantidad — Tennant determinó tanto la naturaleza como el volumen del gas generado [1].
Fragmento del artículo de Smithson Tennant «On the Nature of the Diamond», 1796
En el transcurso de sus experimentos, Tennant demostró que al quemar diamantes se libera exactamente la misma cantidad de dióxido de carbono que al quemar una masa equivalente de carbón vegetal.
A principios del siglo XIX, el experimento de Lavoisier fue repetido por el químico británico Humphry Davy junto con su secretario, un joven físico llamado Michael Faraday. Davy se resistía a aceptar que el diamante y el carbón tuvieran la misma naturaleza: uno, una hermosa piedra preciosa; el otro, grafito negro que ensucia las manos.
Humphry Davy y Michael Faraday, experimentos con diamantes
En 1814, Davy y Faraday quemaron un diamante dentro de un matraz lleno de oxígeno. Como resultado, se generó únicamente dióxido de carbono, lo que volvió a confirmar la composición carbonosa del diamante.
Smithson Tennant
1796
Difícilmente podía dudarse de que estuviera compuesto por los mismos elementos que el carbón vegetal. Por lo tanto, los químicos ya no necesitaban perder tiempo averiguando la composición química del diamante (era carbono, y nada más), sino que podían centrarse en «condensar» el carbono hasta tal punto que su índice de refracción no se distinguiera del medido por Newton.
Los primeros intentos de síntesis (siglo XIX)
Los científicos experimentales aprendieron con éxito a quemar diamantes, pero crear un cristal brillante a partir de carbón resultó mucho más difícil.
El primer intento de obtener un diamante se realizó nueve años después de los experimentos de Davy y Faraday, en 1823, por el científico ruso Vasili Karazin. Utilizó un residuo resinoso de la destilación seca de madera, al que calentó hasta el blanco incandescente. El mineral sólido obtenido lo llamó «pirogón», que significa «nacido del fuego». Lamentablemente, no se han conservado datos que vinculen los cristales de pirogón con los diamantes.
Seis años más tarde, en 1829, los científicos franceses Caignard de la Tour y Jean-Nicolas Gannal realizaron de forma independiente nuevos intentos de crear diamantes. Aunque ambos presentaron los resultados ante la Academia Francesa casi al mismo tiempo, trabajaban de manera separada.
Caignard de la Tour presentó diez tubos con cristales de color marrón, cuya dureza, según afirmó, era superior a la del cuarzo. Sin embargo, tras las pruebas, se descubrió que podían ser rayados fácilmente por diamantes y no reaccionaban ante altas temperaturas. Se concluyó que se trataba de algún tipo de silicatos. El propio de la Tour nunca reveló su método de producción [2].
Gannal, por su parte, fue más precavido y envió sus cristales al famoso tallador de diamantes parisino Champigny, quien concluyó que efectivamente eran diamantes. Sin embargo, la comunidad científica no confirmó las conclusiones del joyero. Además, ni Gannal ni otros investigadores lograron reproducir el proceso, que se basaba exclusivamente en una reacción química entre disulfuro de carbono, agua y fósforo.
Revista «Nature» [Naturaleza], libro 3
1875
Hoy en día, cuando la física y la química han avanzado tanto, no deja de ser interesante preguntarse: ¿por qué aún no se fabrican diamantes artificiales y hasta qué punto ha progresado la ciencia en esta cuestión?
El inicio de los experimentos con alta presión
En el siglo XIX, los científicos se aproximaban a la síntesis del diamante de manera intuitiva. Se basaban en las condiciones ya conocidas en las que el diamante se transforma en grafito, e intentaban revertir el proceso, confiando principalmente en altas temperaturas.
Sin embargo, solo medio siglo más tarde comenzaron a tener en cuenta un parámetro crucial para la síntesis de diamantes: la presión. Se asumía que la temperatura otorgaba movilidad a los átomos de carbono, mientras que una presión elevada favorecía la reorganización de la estructura de la materia, haciéndola más compacta y dura.
En 1878, el escocés James Hannay comenzó a realizar experimentos de síntesis de diamantes en tubos de acero especiales con paredes de 4 cm de espesor. En su interior colocaba aceite de hueso, una mezcla de hidrocarburos y litio metálico. Luego sellaba los tubos y los calentaba en hornos especiales hasta el rojo vivo.
Solo 3 de los 80 tubos no explotaron; de esos, el científico logró extraer cristales sólidos y transparentes. En 1880, Hannay afirmó haber obtenido diamantes [3].
Sin embargo, análisis posteriores mediante rayos X demostraron que los diamantes eran naturales. No se pudo determinar con certeza si la falsificación fue obra del propio Hannay o de sus asistentes. Aun así, este experimento fue el primer intento documentado de crear diamantes bajo alta presión y temperatura.
Poco después, los científicos adoptaron un enfoque más seguro en sus experimentos de presión: comenzaron a aprovechar la propiedad de ciertos metales como hierro, plata, bismuto y galio de expandirse al solidificarse, lo cual generaba alta presión dentro de los lingotes.
En 1893, el científico ruso Konstantín Khrushchov realizó experimentos saturando plata fundida con carbono y luego enfriándola rápidamente. En los lingotes resultantes aparecieron cristales duros capaces de rayar corindón — el mineral más duro después del diamante — y que se incendiaban al calentarse. Por estas propiedades, concluyó que se trataba efectivamente de diamantes sintéticos [4].
En la misma época, el científico francés Henri Moissan también llevó a cabo experimentos igualmente interesantes [5].
Henri Moissan frente a su horno de arco eléctrico
Utilizaba hierro (fundición) mezclado con polvo de carbono, y lo fundía en un crisol de grafito (un recipiente diseñado para la cocción o fusión de materiales) a temperaturas de entre 2.000 y 3.500 °C, en un horno de arco eléctrico.
Cuando, según sus cálculos, el hierro había absorbido suficiente carbono, vertía el metal fundido en agua helada. Este enfriamiento rápido generaba una alta presión dentro del lingote, lo que provocaba la formación de cristales oscuros y duros de menos de 0,7 mm. Al igual que en los experimentos de Khrushchov, estos cristales rayaban el corindón y ardían en oxígeno.
Varios científicos basaban sus intentos de síntesis en la hipótesis de que el diamante se forma en la naturaleza bajo una presión extremadamente alta, muy superior a la que se genera al enfriar metales.
Uno de ellos fue el célebre inventor británico de la turbina de vapor, Charles Parsons, quien llevó a cabo miles de experimentos de síntesis de diamantes, desde 1887 hasta la presentación de un informe detallado en 1918 ante la Royal Society.
Una de las series de experimentos más curiosas consistía en usar una escopeta de caza de calibre 0,9 pulgadas, con la que disparaba hacia un bloque macizo de acero especialmente preparado. El cañón se llenaba previamente con oxígeno y acetileno (con exceso de este último). Al disparar con dos dracmas de pólvora, un émbolo se desplazaba hasta quedar a solo 1/8 de pulgada del final, generando así una presión superior a 15.000 atmósferas.
Dispositivo de Charles Parsons para la síntesis de diamantes
Charles Parsons, extracto de su conferencia ante la Royal Society
25 de abril de 1918
De la capa fundida del tapón terminal se obtuvo un pequeño residuo cristalino, del cual se aisló un único cristal no polarizante, probablemente un diamante, aunque demasiado pequeño como para identificarlo con certeza absoluta.
Debido a la falta de información sobre las propiedades físico-químicas del diamante y del grafito, así como a la ausencia de métodos precisos para distinguir entre diamantes naturales y cristales similares al diamante, los resultados obtenidos por K. Khrushchov, H. Moissan, Ch. Parsons y otros investigadores fueron puestos en duda por la comunidad científica. Muchos expertos consideraban que los cristales obtenidos no eran diamantes, sino carburos — compuestos formados por carbono y metales.
Fundamentos científicos de las condiciones de síntesis (siglo XX)
En 1915, Lawrence Bragg y su padre, William Bragg, fueron galardonados con el Premio Nobel «Por sus servicios en el análisis de la estructura cristalina mediante rayos X» (“For their services in the analysis of crystal structure by means of X-rays”).
Redes cristalinas del grafito (izquierda) y del diamante (derecha)
La célula unitaria del diamante tiene una estructura cúbica que contiene 18 átomos de carbono. Es precisamente esta estructura cristalina la que determina sus notables propiedades ópticas, físicas y químicas.
En 1938, los investigadores estadounidenses Frederick Rossini y Roy Jessup desarrollaron un método para obtener muestras puras de grafito cristalino, lo que permitió obtener datos experimentales fiables y reproducibles para cálculos posteriores [6].
En 1939, el físico soviético Ovsey Leipunsky, especialista en explosivos y pólvoras, basándose en los trabajos de Rossini y Jessup, fue el primero en el mundo en calcular el diagrama de fases completo del carbono —una representación gráfica de los parámetros bajo los cuales una sustancia se vuelve sólida, líquida, gaseosa o cambia su estructura.
En ese diagrama, estableció todas las condiciones necesarias para sintetizar diamantes en el laboratorio: presión de 6 – 7 GPa, temperatura de 1.600 – 1.700 °C, y presencia de un metal disolvente (como hierro, níquel u otros) [7].
Diagrama de fases de Ovsey Leipunsky
Aunque todos los fundamentos teóricos para la síntesis de diamantes ya eran conocidos, resolver este complejo problema técnico en la práctica requirió más de una década de investigaciones intensivas.
Un avance en la tecnología de presiones ultraltas
El desarrollo de la tecnología para crear dispositivos de alta presión está estrechamente ligado al trabajo del profesor de la Universidad de Harvard, Percy Bridgman, Premio Nobel «Por la invención de un aparato que permite generar presiones extremadamente altas y por los descubrimientos realizados en relación con ello en la física de altas presiones» (“For the invention of an apparatus to produce extremely high pressures, and for the discoveries he made in the field of high-pressure physics”). Bridgman veía la cuestión de la síntesis del diamante como un desafío a su propia inventiva.
Percy Bridgman (a la derecha) en el laboratorio, 1941
Bridgman y su equipo diseñaron diversos dispositivos de alta presión. En la mayoría de ellos, el material de prueba era comprimido desde cuatro lados por yunques tetraédricos fabricados con un material superduro: carboloy (carburo de tungsteno cementado con cobalto) [8]. Con uno de estos aparatos, el grupo de Bridgman logró sintetizar el mineral granate, incluyendo el piropo de color rojo intenso, conocido como un acompañante natural de los diamantes en las chimeneas kimberlíticas.
En condiciones normales de laboratorio, Bridgman alcanzaba presiones de hasta 45 GPa. En 1941, en uno de sus aparatos, al quemar termita (una mezcla de aluminio con óxidos metálicos), se lograron presiones de hasta 3 GPa y temperaturas de 3.000 °C durante unos segundos. Sin embargo, en ese momento la síntesis de diamantes aún no se logró.
Percy Bridgman
1941
Los intentos por resolver este fascinante problema atrajeron a toda clase de personas: desde científicos brillantes hasta charlatanes y estafadores, todos entregaron su mente y su pasión a esta causa.
Los primeros éxitos en la síntesis (años 1950 – 1960)
El 15 de febrero de 1953, por primera vez en la historia, se obtuvieron diamantes sintéticos en la empresa sueca de generación eléctrica ASEA (Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget), basándose en los estudios de Ovsey Leipunsky. El ingeniero Erik Lundblad y sus asistentes, Anders Eriksson y Gunnar Valin, llevaron a cabo esta operación técnicamente compleja en un aparato cúbico de alta presión.
El procedimiento consistía en introducir en un recipiente de tántalo una mezcla de grafito, carburo de hierro y termita, sellarlo dentro de un bloque y someterlo a altísima presión y temperatura. A 2.500 °C y una presión de 8 – 9 GPa, tras dos minutos de exposición, se obtuvieron entre 20 y 50 cristales de diamante, de tamaños entre 0,1 y 0,5 mm.
Los investigadores suecos no dieron demasiada importancia a los resultados, ya que esperaban obtener diamantes de calidad gemológica y no contaban con suficientes datos para reproducir el proceso. Por ello, no registraron ninguna patente ni publicaron información sobre el experimento. Su prioridad en el descubrimiento solo fue reconocida posteriormente mediante una resolución judicial.
Al mismo tiempo, los científicos de General Electric (GE) en Estados Unidos estaban trabajando activamente en el diseño de su propio aparato de alta presión, calculando los parámetros tecnológicos necesarios para la síntesis de diamantes. Este proyecto se mantuvo en secreto absoluto y recibió el nombre de «Superpresión».
Equipo del proyecto «Superpresión» (de izquierda a derecha): Francis Bundy, Herbert Strong, Howard Tracy Hall, Robert Wentorf, Anthony Nerad, James Chaney
En julio de 1953, un equipo de ingenieros químicos de General Electric (GE) — Francis Bundy, Herbert Strong, Robert Wentorf y Howard Tracy Hall — desarrolló el aparato conocido como «Belt» (en inglés, «cinturón»), llamado así porque la zona central donde ocurría la síntesis estaba sostenida por un anillo de carburo de tungsteno reforzado con una correa de acero de alta resistencia. El uso del carburo de tungsteno permitió duplicar prácticamente la presión alcanzada. La figura clave en este proceso fue Tracy Hall, quien ya había intentado sintetizar diamantes por su cuenta antes de unirse al equipo y trajo consigo conocimientos y métodos comprobados.
Principio de funcionamiento de la célula de reacción del aparato de alta presión «Belt»
El 16 de diciembre de 1954, Hall y su equipo lograron sintetizar diamantes en un recipiente de tántalo, usando una mezcla de grafito y sulfuro de hierro, a una temperatura de 1.600 °C y una presión de 7 GPa. El proceso duró entre uno y tres minutos. El tamaño máximo de los cristales obtenidos fue de 0,8 mm.
Howard Tracy Hall
1954
Mis ojos captaron el brillo centelleante de decenas de diminutos cristales. Mis manos empezaron a temblar, mis rodillas se debilitaron y ya no me sostenían — entendí que los diamantes por fin habían sido creados por el ser humano.
Herbert Strong con su asistente James Chaney trabajando con la prensa para diamantes desarrollada por el equipo de GE en 1955
Antes de anunciar su éxito al mundo, fue necesario cumplir con los criterios de identificación establecidos por GE para las piedras obtenidas: difracción de rayos X, propiedades físico-químicas, características ópticas y otros parámetros.
Por ello, recién en marzo de 1955, General Electric hizo público su descubrimiento y comenzó inmediatamente la producción industrial de diamantes del tipo HPHT (High Pressure, High Temperature).
En 1957, GE informó haber producido 100.000 quilates de polvo de diamante.
Sin embargo, en aquel momento, el costo de los diamantes sintéticos era un 24 % superior al de los naturales.
Howard Tracy Hall frente a la prensa tetraédrica, 1960
Al observar los avances de los científicos extranjeros, el gobierno soviético no tenía intención de quedarse atrás en el campo de la síntesis de diamantes.
El 20 de marzo de 1959, por orden del Consejo de Ministros de la URSS, se fijó el objetivo de sintetizar e implementar una tecnología de producción de diamantes artificiales a alta presión en un plazo de tres años.
Un año más tarde, se lograron los primeros resultados: diamantes sintéticos fueron obtenidos en el Instituto de Física de Altas Presiones de la Academia de Ciencias de la URSS, por un equipo dirigido por Leonid Vereshchagin, mediante un aparato de alta presión estructuralmente simple y eficaz, del tipo «lenteja» —prototipo del actual aparato tipo toroide [9].
Esquema del aparato de Vereshchagin: 1 – calentador cilíndrico de grafito, 2 – contenedor de alta presión tipo «lenteja», 3 – yunque de aleación dura con cavidad, 4 – anillos de soporte de acero
Menos de un año después, en base a los desarrollos del Buró Central de Diseño y Tecnología de Herramientas de Aleaciones Duras y Diamante (más tarde el Instituto de Materiales Súperduros de la Academia de Ciencias de la RSS de Ucrania, en Kiev), se organizó la producción industrial de diamantes, bajo la dirección de Vladímir Bakul.
Al principio, su costo era de 135 rublos por quilate, unas 30 veces más caro que el de los diamantes naturales. Durante los meses siguientes, se trabajó en la mejora de los aparatos, y para 1963 ya se había establecido una producción eficiente y accesible en materiales y costos, con una capacidad de 3 millones de quilates por año, lo cual permitió satisfacer la demanda interna y empezar a exportar [10].
Cámara industrial de alta presión para la síntesis de diamantes tipo «lenteja» y «toroide»
En los años siguientes se continuó con el desarrollo y modernización del equipamiento para la producción de diamantes HPHT ( High Pressure, High Temperature ). El objetivo principal era reducir los costos de producción y aumentar el tamaño de los cristales obtenidos. Las primeras partidas industriales eran, en su mayoría, de calidad técnica, y aún faltaba camino para alcanzar calidad gemológica. El enfoque cambió: ya no bastaba con alcanzar los parámetros ideales, ahora era clave mantenerlos estables durante todo el proceso de crecimiento del diamante.
Desarrollo de tecnologías de síntesis de diamantes HPHT
En la década de 1970, General Electric logró producir las primeras muestras de diamantes de calidad gemológica de hasta un quilate. Sin embargo, su costo de producción era demasiado elevado como para competir con los diamantes naturales.
En 1989, científicos e ingenieros del Instituto de Geología y Mineralogía V.S. Sobolev de la Rama Siberiana de la Academia de Ciencias de Rusia (Novosibirsk) desarrollaron un aparato de alta presión único, conocido como BARS (Aparato sin prensa de «Esfera Segmentada») [11].
Sistema BARS para el crecimiento de diamantes
El aparato permite generar presiones de hasta 8 GPa y temperaturas de hasta 1.800 °C dentro de una célula de reacción de aproximadamente 2 cm³, manteniendo estos parámetros con gran precisión durante semanas.
Esquema de la célula de reacción del aparato BARS
La célula cúbica de reacción es comprimida por seis pistones de aleación dura, ubicados en los vértices de un octaedro, los cuales a su vez son comprimidos por ocho punzones de acero, obtenidos al segmentar una esfera de forma precisa.
A comienzos de los años 1990, el sistema BARS permitió obtener diamantes de hasta 1,5 quilates. Tras ser certificados en centros científicos internacionales de renombre, tanto el aparato como la tecnología recibieron reconocimiento internacional, y en la literatura especializada pasaron a denominarse: equipos BARS, tecnologías BARS y diamantes BARS.
Más adelante, ingenieros de diferentes países desarrollaron modificaciones de este tipo de aparatos. Así surgieron sistemas como el «Toroide» (Rusia), desarrollado originalmente por Leonid Vereshchagin, el «6/8 Kawai» (Japón), y el «Walker» (EE.UU.).
Aparato Kawai: 1 – prensa hidráulica, 2 – depósito de aceite, 3 – anillos de acero que comprimen la primera etapa, 4 – seis punzones de la primera etapa, 5 – ocho pistones de aleación dura de la segunda etapa, que forman un cubo segmentado, 6 – cámara octaédrica de alta presión, 7 – muestra
Aparato de alta presión Walker: a – seis punzones de acero (cortados a partir de un cilindro), que conforman la primera etapa del sistema; en su interior se encuentra un conjunto de ocho punzones cúbicos de aleación dura o diamante (segunda etapa), que comprimen una cámara octaédrica de alta presión, b – anillo de acero macizo en el que se inserta la primera etapa, c – esquema de la aplicación de fuerza mediante una prensa hidráulica de 800 toneladas, d – vista general del sistema
A medida que nos acercamos a la actualidad, cabe destacar que muchos fabricantes aún utilizan aparatos tipo «Toroide» y BARS, aunque las tecnologías modernas de síntesis de diamantes de calidad gemológica se están llevando cada vez más a cabo en prensas cúbicas de gran tonelaje, fabricadas principalmente por empresas chinas.
Prensas cúbicas para la producción de diamantes — China
Desde mediados de la década de 2010, los fabricantes han comenzado a presentar al público diamantes cultivados en laboratorio de tamaño, color y pureza récord:
10 quilates, 15 quilates, 17 quilates.
Prensas cúbicas para producción de diamantes, China
Desde mediados de la década de 2010, los fabricantes han presentado al público diamantes de laboratorio récord en términos de peso, color y pureza: 10 quilates, 15 quilates, 17 quilates.
Diamante récord de 2015 (30 quilates), cultivado por la empresa rusa New Diamond Technology
La era de la síntesis de diamantes por CVD
Un caso curioso ocurrió en el invierno de 1942 en Kazán, adonde fue evacuado el Instituto de Química Física de Leningrado junto con su personal. El profesor David Frank-Kamenetsky se lesionó la mano y tuvo que apartarse durante un par de semanas de su trabajo principal, relacionado con el desarrollo de explosivos. Durante ese tiempo, decidió dedicar su atención al tema de la síntesis de diamantes [9].
El científico predijo la posibilidad de producir diamantes a presiones reducidas. Consideraba que realizar el proceso en un medio gaseoso, utilizando semillas de diamante, sería más sencillo. Frank-Kamenetsky prestó especial atención a la cantidad de carbono necesaria para el crecimiento de los cristales y calculó que no debía ser excesiva, ya que en ese caso se formarían estructuras de grafito. Según él, el gas más adecuado para la síntesis era el metano. Aun así, el crecimiento de un diamante sería un proceso bastante lento: para obtener 1 gramo, haría falta aproximadamente un año.
David Frank-Kamenetsky
1942
Los tres factores — temperatura, presión y cantidad de carbono — deben mantenerse en un equilibrio muy preciso. Por eso es totalmente natural que los intentos de cultivar diamantes bajo condiciones escogidas al azar, sin cálculos previos, nunca hayan tenido éxito.
Lamentablemente, la guerra y otras tareas prioritarias en aquella época impidieron continuar con esta investigación. El científico volvió a trabajar en el desarrollo de explosivos, y su manuscrito jamás fue publicado.
En 1956, los científicos soviéticos Boris Spitsyn y Boris Deryagin estudiaron un método para obtener diamantes a presión reducida a partir de un medio gaseoso, utilizando tetrabromometano y tetracloruro de carbono. Estos experimentos revelaron la necesidad de introducir hidrógeno atómico en la zona de cristalización para suprimir la formación de grafito y obtener películas de diamante mono- y policristalinas [12].
Además, se demostró que era posible cultivar cristales de varias decenas de micrones, no solo sobre semillas de diamante, sino también sobre sustratos ajenos. Estos avances definieron en gran medida las principales tendencias en el desarrollo de materiales en películas delgadas de diamante y tipo diamante en atmósferas gaseosas a baja presión [13].
En 1962, William Eversole, de la empresa Union Carbide Corporation (EE.UU.), presentó el primer intento documentado de cultivar diamantes a baja presión mediante el proceso conocido como deposición química en fase de vapor (CVD, chemical vapor deposition ), convirtiéndose en el primer ser humano en crear diamantes CVD.
Esquema del proceso de síntesis de diamantes por CVD
Según el patente [14], Eversole utilizaba un gas que contenía carbono (como metano, tetracloruro de carbono o monóxido de carbono) y lo calentaba, en promedio, a 1.000 °C bajo presión reducida, en presencia de cristales semilla de diamante. El proceso tenía que detenerse periódicamente para eliminar el grafito acumulado sobre el cristal en crecimiento.
Aunque el experimento arrojó resultados positivos, mostró una velocidad de crecimiento extremadamente baja, de aproximadamente 0,01 μm por hora. Por ello, en ese momento, la producción industrial de estos diamantes no era ni técnica ni económicamente viable, y el desarrollo fue postergado durante varias décadas.
No fue sino hasta principios de los años 90 cuando químicos japoneses iniciaron un programa intensivo para estudiar el papel del hidrógeno atómico en la síntesis de diamantes por deposición química en fase de vapor (CVD). Mutsukazu Kamo, Seiichiro Matsumoto y Yoichiro Sato lograron aumentar la velocidad de crecimiento a varios micrómetros por hora, superando así los resultados de Eversole [15]. Así, a comienzos de los años 2000 comenzó la era de la producción de diamantes CVD.
Instalación para la síntesis de diamantes por CVD
En 2003, la empresa Apollo Diamond logró sintetizar diamantes CVD de calidad gemológica condicional. El Instituto Gemológico de América (GIA) evaluó las primeras muestras — pequeños cristales marrón claro, pero no pudo asignarles una clasificación oficial.
Cuatro años más tarde, la misma empresa presentó al GIA diamantes redondos tallados de hasta 0,62 quilates, con color hasta E y pureza hasta VVS1, así como diamantes de fantasía en tonalidades rosado-marrón (Fancy brown-pink), naranja-marrón (Fancy orange-brown) y marrón oscuro anaranjado (Fancy Dark orangy brown).
Así, aunque con un leve retraso, el método CVD irrumpió activamente en el mercado de los diamantes sintéticos. Hoy en día, más de un tercio de todos los diamantes de calidad gemológica se producen mediante CVD, y en su mayoría son cristales de gran tamaño, de más de 4 quilates en bruto.
Diamantes CVD con revestimiento policristalino. Durante el proceso de crecimiento, alrededor del cristal se forma un revestimiento de diamante policristalino, también conocido como corteza externa, que se elimina posteriormente durante el tallado.
Revolución en la síntesis: diamantes en fracciones de segundo
En 2022, científicos rusos publicaron una patente titulada «Método de síntesis detonante de diamante policristalino» [16]. La esencia de este método consiste en la obtención de polvo de nano-diamantes ultrafinos mediante la detonación controlada de explosivos.
Polvo de diamante (izquierda), imagen por microscopía electrónica de nano-diamantes (derecha)
Por primera vez en Rusia, este tipo de síntesis fue realizado en 1963 en el VNIITF, bajo la dirección del académico Evgueni Zababajin, aunque el método fue clasificado como secreto durante muchos años.
En ese entonces, los nano-diamantes ultrafinos no encontraron una aplicación práctica amplia debido a varios factores:
el proceso de purificación de impurezas y subproductos de la explosión era complejo y costoso; el material resultante era heterogéneo y difícil de controlar en cuanto a tamaño de partícula; y no se comprendían plenamente sus propiedades únicas.
Con la llegada de la era de las nanoestructuras, el ámbito de aplicación del polvo de diamante se expandió notablemente: desde pastas de pulido y lubricantes industriales hasta fármacos y computación cuántica. Como resultado, el interés por la producción de nano-diamantes está creciendo de forma exponencial.
Conclusión
Dra. Yumiko Takeuchi
Laboratorio Nacional de Brookhaven, EE.UU.
Especialista en espectroscopía de rayos X
Apenas estamos comenzando a comprender todo el potencial que encierran los diamantes. Las investigaciones futuras nos permitirán descubrir aún más secretos de este asombroso material y aprovecharlos para resolver importantes desafíos científicos y tecnológicos.
La evolución de las tecnologías de síntesis no se ha detenido, al igual que sigue creciendo el número de aplicaciones de los diamantes sintéticos: además del mercado joyero, abarcan la industria, la electrónica, la medicina, la óptica, la construcción, entre muchos otros sectores. La síntesis de diamantes atraviesa hoy un período de rápido desarrollo. Solo China produce actualmente alrededor de 10.000 millones de quilates por año.
El futuro de este campo estará marcado tanto por investigaciones fundamentales, como por las necesidades prácticas de las industrias modernas. El desarrollo exitoso del mercado global de diamantes sintéticos exigirá la colaboración estrecha entre científicos, ingenieros, fabricantes y entidades reguladoras.
Referencias
1. Tennant, S. (1797). On the Nature of the Diamond [Sobre la naturaleza del diamante]. Philosophical Transactions of the Royal Society of London — Transacciones filosóficas de la Royal society de Londres, tomo 87, pp. 123 – 127.
2. Cagniard de la Tour, Ch. (1851). Étude des effets que l’action de la chaleur peut produire sur les bois, suivant leur espèce, leur âge et leur état hygrométrique, lorsque ces corps sont contenus dans des tubes de verre fermés des deux bouts [Estudio de los efectos que la acción del calor puede producir en las maderas, según su especie, edad y estado higrométrico, cuando estos cuerpos están contenidos en tubos de vidrio cerrados por ambos extremos]. Comptes Rendus Hebdomadaires des Séances de l'Académie des Sciences — Informes semanales de las sesiones de la Academia de ciencias (de París), tomo 32, pp. 295 – 296.
3. Hannay, J. B. (1880). On the Artificial Formation of the Diamond [Sobre la formación artificial del diamante]. Proceedings of the Royal Society of London — Actas de la Royal society of London, tomo 30, pp. 450 – 461.
4. Khrushchov, K. D. (1893). Polucheniye oskolkov almaza pri bystrom okhlazhdenii rasplavlennogo serebra, soderzhashchego 6 % ugleroda [Obtención de fragmentos de diamante mediante el enfriamiento rápido de plata fundida que contiene un 6 % de carbono]. Protokoly Zhurnala Russkogo fiziko-khimicheskogo obshchestva — Protocolos de la revista de la Sociedad fisicoquímica Rusa, tomo 25, fasc. 3.
5. Moissan, H. (1894). Nouvelles expériences sur la reproduction du diamant [Nuevos experimentos sobre la reproducción de diamantes]. Comptes Rendus de l'Académie des Sciences — Informes de la Academia de сiencias de París, tomo 118, pp. 320 – 326.
6. Rossini, F. G., y Jessup, R. S. (1938). Heat and Free Energy of Formation of Carbon Dioxide and of the Transition Between Graphite and Diamond [Calor y energía libre de formación del dióxido de carbono y de la transición entre grafito y diamante]. Journal of Research of the National Bureau of Standards — Revista de investigación de la Oficina Nacional de normas, tomo 21, núm. 4, pp. 491 – 513.
7. Leipunskii, O. I. (1939). Ob iskusstvennykh almazakh [Sobre los diamantes artificiales]. Uspekhi khimii — Revista Progresos de la química, tomo 8, fasc. 10, pp. 1519 – 1534.
8 . Bridgman, P. W. (1948). Noveishie raboty v oblasti vysokikh davlenii [Los trabajos más recientes en el campo de altas presiones] (L. F. Vereshchagin, ed.; A. I. Likhter, trad.). Moscú: Casa editorial e imprenta de la Editorial estatal de literatura extranjera. 300 págs.
9. Vereshchagin, L. V. (1981). Tverdoe telo pri vysokikh davleniyakh: Izbrannye trudy [El sólido bajo altas presiones: Obras selectas]. Moscú: Nauka. 286 págs.
10. Rich, V. I., y Chernenko, M. B. (1976). Neokonchennaya istoriya iskusstvennykh almazov [La historia inconclusa de los diamantes artificiales]. Moscú: Nauka. 135 págs.
11. Chepurov, A. I., Fedorov, I. I., y Sonin, V. M. (1997). Eksperimental'noe modelirovanie protsessov almazoobrazovaniya [Modelado experimental de procesos de formación de diamantes] (A. I. Chepurov y A. G. Kirdyashkin, ed.). Novosibirsk: SO RAN, OIGGM. 196 págs.
12. Spitsyn B. V., Bouilov, L. L., y Derjaguin, B.V. (1981). Vapor Growth of Diamond on Diamond and other Surfaces [Crecimiento de diamante por deposición de vapor sobre superficies de diamante y otros materiales]. Journal of Crystal Growth — Revista de Crecimiento сristalino, tomo 52, pp. 219 – 226.
13. Spitsyn, B. V., Bouilov, L. L., y Derjaguin B. V. (1988). Diamond and Diamond-like Films: Deposition from the Vapour Phase, Structure and Properties [Películas de diamante y similares al diamante: Deposición desde la fase de vapor, estructura y propiedades.]. Progress in Crystal Growth and Characterization — Avances en el crecimiento y la caracterización de cristales, tomo 17, núm. 2, pp. 79 – 170.
14. Patente nº 3030187 (EE.UU.). Síntesis de diamante: nº 750309. Fecha de presentación 23/07/1958; fecha de publicación 17/04/1962. Inventor: Eversole W. G.; titular: Union Carbide Corporation. 5 págs.
15. Kamo, M., Sato, Y., Matsumoto, S., y Setaka, N. (1983). Diamond synthesis from gas phase in microwave plasma [Síntesis de diamante a partir de fase gaseosa en plasma de microondas]. Journal of Crystal Growth — Revista de Crecimiento сristalino, tomo. 62, núm. 3, pp. 642 – 644.
16. Patente nº 2774051 Federación Rusa, B01J 3/08(2006.01). Sposob detonatsionnogo sinteza polikristallicheskogo almaza [Método de síntesis por detonación de diamante policristalino]: nº 2021129730. Fecha de presentación: 13/10/2021; fecha de publicación: 14/06/2022. Inventor: Petrov I. L. (RU); titular: Sociedad de Responsabilidad Limitada «SKN» (RU). 10 págs.
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08.04.2025
Método CVD para la síntesis de diamantes
El CVD ( Chemical Vapor Deposition, deposición química en fase de vapor) es un método para cultivar diamantes en condiciones de baja presión utilizando un gas que contiene carbono, normalmente metano. A diferencia del método HPHT ( High Pressure High Temperature, alta presión y alta temperatura), en el que el carbono se cristaliza bajo condiciones extremas de presión y temperatura, en el proceso CVD los átomos de carbono se depositan capa por capa sobre un sustrato, formando una red cristalina de diamante.
Equipos de síntesis CVD
El equipo utilizado para la síntesis CVD es un reactor de plasma por microondas. A diferencia del HPHT, el crecimiento cristalino en este método no ocurre en una mezcla metálica fundida, sino sobre sustratos cuidadosamente seleccionados que actúan tanto como semilla como superficie de crecimiento.
Equipos de síntesis CVD
En el pasado se utilizaban láminas finas de diamantes naturales como sustratos. Hoy en día, se emplean placas de diamante CVD de alta pureza, libres de astillas y tensiones internas. Para diamantes de 5 quilates se usan sustratos de 10×10 mm, mientras que para piedras más grandes se requieren placas de 20×20 mm o más.
Sustratos de diamante CVD
Proceso de síntesis CVD
Los principios básicos del crecimiento de diamantes bajo estas condiciones fueron descritos ya en la década de 1950 [1], pero no fue sino hasta principios de los años 2000 cuando se logró una velocidad de crecimiento suficientemente eficiente para su aplicación industrial. El proceso se desarrolla de la siguiente manera.
Diagrama del proceso CVD
Los sustratos se colocan sobre un soporte y se introducen en la cámara de crecimiento. Antes de comenzar el proceso, se evacúa completamente el aire de la cámara con el fin de eliminar gases no deseados y partículas de polvo. Incluso una partícula diminuta puede provocar un defecto en la estructura del cristal.
En el interior de la cámara, un magnetrón genera radiación de microondas a una frecuencia de 915 MHz o 2,45 GHz, según el diseño del reactor y las condiciones de crecimiento deseadas.
A una frecuencia de 915 MHz, el crecimiento de diamantes se realiza en grupo dentro de grandes instalaciones industriales. La cantidad de cristales obtenidos puede alcanzar hasta 100 unidades por ciclo. Este método se emplea para producir material en bruto destinado a piedras pequeñas de 1 a 2 quilates.
A 2,45 GHz, se puede sintetizar tanto un solo cristal como varios simultáneamente. Se utilizan reactores compactos de laboratorio, y el crecimiento de cada diamante se monitoriza individualmente. A esta frecuencia, la nube de plasma puede extenderse hasta 100 – 120 mm, lo que permite cultivar cristales grandes en modo individual o varios en modo grupal. Sin embargo, la zona de crecimiento está limitada por el diámetro del plasma. La formación del material necesario para un diamante de un quilate suele tardar aproximadamente dos semanas.
A la cámara se introduce una mezcla de gases compuesta por metano, hidrógeno, oxígeno y, ocasionalmente, boro o nitrógeno. Bajo la acción de las microondas, estos gases generan una nube de plasma. Con una potencia de 6 kW y una presión de 200 – 250 Torr, el plasma se expande hasta cubrir la superficie del sustrato.
Cuando se alcanza el volumen de plasma deseado, la potencia del magnetrón se reduce a 4 kW y la presión se eleva a 300 – 350 Torr. Estas condiciones permiten una velocidad de crecimiento óptima de 20 – 25 µm/hora. Una presión más baja ralentiza el crecimiento; una mayor lo acelera pero disminuye la calidad del cristal. A presión atmosférica, el plasma se estrecha y la velocidad puede alcanzar los 50 µm/hora, aunque el crecimiento ocurre principalmente en altura, sin aumentar en anchura.
Composición de la mezcla de gases
Metano: fuente de iones de carbono. Su exceso incrementa la velocidad de crecimiento pero reduce la calidad. Hidrógeno: impide la formación de grafito y favorece la generación de iones de carbono altamente reactivos. Constituye el componente principal de la mezcla gaseosa [2]. Oxígeno: acelera el crecimiento, pero se utiliza con moderación (menos del 1 %). Nitrógeno: se añade para obtener diamantes amarillos. Su concentración no debe superar la del metano. Boro: se utiliza para sintetizar diamantes azules y materiales con conductividad eléctrica. Sin embargo, debido a consideraciones de seguridad, los diamantes azules suelen obtenerse mediante irradiación electrónica en aceleradores de partículas [3].
La temperatura del plasma alcanza los 3000 – 4000 °C , mientras que la del sustrato se mantiene entre 900 y 1200 °C . Cuanto mayor es la diferencia de temperatura, más rápido es el crecimiento, pero menor la calidad.
Ventana de observación del reactor CVD
A través de la ventana de observación del reactor puede observarse el cambio de color de la nube de plasma, que pasa de blanco a rosa intenso. El color rosa indica que el carbono ha salido de la zona activa del plasma.
Proceso de crecimiento del diamante CVD
Cada ciclo de crecimiento produce un cristal de aproximadamente 5 mm de grosor. A continuación, el diamante se extrae y se limpia de la capa policristalina formada durante el crecimiento, y se elimina el material acumulado en la cámara. Con el tiempo, los policristales pueden distorsionar el campo de plasma y reducir la calidad. El diamante limpio se vuelve a cargar y se repite el ciclo. Para cultivar piedras grandes suelen requerirse 2 – 3 ciclos.
Proceso de crecimiento del diamante CVD
Los cristales resultantes tienen forma cuadrada. Tras la limpieza con láser, se inspeccionan para detectar tensiones internas y se marcan las zonas más limpias para el corte.
Diamante CVD saliendo del reactor (izquierda), material limpio (centro), diamante terminado (derecha)
La calidad del diamante depende de los parámetros del proceso y de la posición del sustrato respecto a la nube de plasma. Como la concentración de iones de carbono es máxima en el centro del plasma, los cristales formados en los bordes tienden a tener menor calidad en cuanto a color y pureza. Estos representan entre 15 y 20 % de la producción y pueden ser descartados, vendidos como material de menor categoría o sometidos a tratamientos de mejora.
Mejora de diamantes CVD
Modificación del color mediante tratamiento HPHT
Para mejorar el color, se utiliza el recocido HPHT: el diamante se calienta a 1000 °C bajo una presión de 1000 atmósferas. Este tratamiento, denominado mejoramiento, se aplica tanto a diamantes sintéticos como naturales, y puede mejorar significativamente su apariencia y valor comercial [4].
El método CVD representa una técnica altamente avanzada y respetuosa con el medio ambiente de síntesis de diamantes, que permite un control preciso de los parámetros de crecimiento y la obtención de cristales de alta calidad. Gracias a su flexibilidad y escalabilidad, el CVD se ha convertido en uno de los principales métodos de producción tanto de diamantes gemológicos como industriales.
Referencias
1. Patente nº 3030187 (EE.UU.). Síntesis de diamante: nº 750309. Fecha de presentación 23/07/1958; fecha de publicación 17/04/1962. Inventor: Eversole W. G.; titular: Union Carbide Corporation. 5 págs.
2. Spitsyn, B. V., Bouilov, L. L., y Derjaguin, B. V. (1988). Diamond and diamond-like films: Deposition from the vapour phase, structure and properties [Películas de diamante y similares al diamante: Deposición desde la fase de vapor, estructura y propiedades.]. Progress in Crystal Growth and Characterization — Avances en el crecimiento y la caracterización de cristales, tomo 17, núm. 2, pp. 79 – 170.
3. Teteruk, D. V., Tarelkin, S. A., Bormashov, V. S., Volkov, A. P., Kornilov, N. V., y Terentiev, S. A. (2014). Legirovanie almaza, vyrashchennogo metodom gazofaznogo osazhdeniia [Dopaje de diamantes sintetizados por deposición química de vapor]. Khimiia i khimicheskaia tekhnologiia — Química y tecnología química, tomo 57, núm. 5, pp. 56 – 57.
4. Patente nº 2324764 Federación Rusa, MPK C23C 16/27(2006.01), C30B 23/08(2006.01). Otzhig monokristallicheskikh almazov, poluchennykh khimicheskim osazhdeniem iz gazovoi fazy [Recocido de diamantes monocristalinos obtenidos por deposición química de vapor]: nº 2006104552. Fecha de presentación: 14/07/2004; Fecha de concesión: 20/08/2008. Inventores: Hemley R. J. (US), Mao H.-K. (US), Yan C.-S. (US); titular actual: Carnegie Institution of Washington (US). 6 págs.
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08.04.2025
Método de síntesis de diamantes por detonación
La síntesis de diamantes por detonación (DSD) es un método de obtención de diamantes mediante la explosión controlada de materiales que contienen carbono. A diferencia de la síntesis por alta presión y alta temperatura (HPHT) o del depósito químico en fase de vapor (CVD), el proceso de detonación ocurre en una fracción de segundo. Como resultado, no se forman cristales grandes, sino nanopartículas policristalinas de diamante.
Polvo de diamante generado por detonación (izquierda); imagen de nanodiamantes mediante microscopía electrónica (derecha)
Fundamentos del método DSD
La síntesis de diamantes por detonación fue realizada por primera vez en Rusia, en 1963, en el VNIIEF por el académico E. I. Zababajin. Sin embargo, al igual que el método CVD en la Unión Soviética, fue considerado poco viable en su momento debido al éxito de la síntesis HPHT y fue clasificado como secreto durante décadas. A pesar de ello, las investigaciones continuaron dentro de los laboratorios [1].
Instalación experimental del Instituto de Problemas Químico-Energéticos del SB RAS. La cubierta externa de la cámara puede soportar presiones de decenas de atmósferas
El principio del método consiste en aplicar una onda de choque extremadamente breve a una masa reactiva compuesta por grafito u otro material con contenido de carbono, o bien una mezcla de estos con metales. A diferencia de los procesos estáticos, en la síntesis por detonación la temperatura no se establece previamente, sino que depende del estado inicial de los componentes y de la presión generada durante la compresión [2].
Esquema del proceso de síntesis de diamantes por detonación
Métodos de síntesis de diamantes por detonación
Existen tres métodos principales para la síntesis de polvo de diamante mediante detonación.
1. Síntesis en contenedores de alta resistencia. Este método utiliza ondas de choque generadas por explosiones para crear presiones de hasta 100 GPa y temperaturas de hasta 3000 K dentro de recipientes resistentes (ampollas) que contienen grafito y metal. El metal incrementa la presión, reduce la temperatura y enfría rápidamente los diamantes. En microsegundos se forman policristales de hasta varias decenas de micras (generalmente de 7 a 10 µm) [3]. Gracias a las condiciones especiales de síntesis, estos diamantes poseen una capacidad abrasiva hasta dos veces superior a la de los polvos industriales convencionales, lo que les confiere un valor comercial más elevado.
2. Detonación de mezclas con materiales carbonosos. En 1973 se desarrolló un método que permite la obtención de diamantes mediante la detonación de mezclas de explosivos con materiales carbonosos [4]. Para evitar la oxidación y degradación térmica de las partículas de diamante, la detonación se realiza en una cámara sellada llena de gas inerte. La conversión de carbono en diamante puede alcanzar el 50 %. La composición final depende de los parámetros de detonación. El diamante resultante es un polvo disperso con tamaño de cristalitos de 6 a 10 nm y una superficie específica que varía entre 20 y 150 m²/g.
3. Detonación de explosivos con déficit de oxígeno. Según los estudios de G. V. Sakovich y colaboradores [5], los diamantes también pueden formarse mediante la detonación de explosivos condensados con déficit de oxígeno, como el trinitrotolueno, en un medio refrigerante. Estos compuestos liberan «carbono libre» durante su descomposición, que se transforma en diamante. Los diamantes ultradispersos (UDD) obtenidos por este método tienen un tamaño de partícula de 2 a 6 nm y una superficie específica de hasta 350 m²/g. Estas características les confieren una elevada capacidad de adsorción y reactividad química.
Imagen de nanodiamantes ultradispersos al microscopio electrónico (700×)
Aplicaciones de los diamantes por detonación
Gracias a sus propiedades únicas — alta dureza, inercia química, gran superficie específica, biocompatibilidad y capacidad de luminiscencia — los nanodiamantes encuentran amplias aplicaciones en diversos campos de la ciencia y la tecnología:
Materiales abrasivos: pastas abrasivas, compuestos de pulido y recubrimientos antifricción.
Medicina y biomedicina: liberación dirigida de fármacos, biosensores, imagen molecular de tumores, regeneración ósea, recubrimientos antibacterianos y terapias antitumorales.
Electrónica: disipadores térmicos, componentes de transistores y otros dispositivos, cátodos fríos y baterías.
Materiales compuestos: como aditivos en matrices poliméricas, metálicas o cerámicas.
Cosmética: exfoliantes, modificadores ópticos y vehículos para la penetración de ingredientes activos en capas profundas de la piel.
Otros usos: componentes para lubricantes, filtros, y como qubits y sensores en tecnologías cuánticas.
En resumen, los diamantes obtenidos por detonación son un material versátil y altamente funcional, con aplicaciones de vanguardia en múltiples sectores. Gracias al constante desarrollo de las tecnologías de síntesis y procesamiento, su potencial para ofrecer soluciones innovadoras en ciencia y tecnología sigue creciendo.
Referencias
1. Danilenko, V. V. (2004). Iz istorii otkrytiya sinteza nanoalmazov [De la historia del descubrimiento de la síntesis de nanodiamantes]. Fizika tverdogo tela — Física del estado sólido, tomo 46, núm. 4, pp. 581 – 584.
2. De Carli, P. S., y Jamieson, J. C. (1961). Formation of diamond by explosive shock [Formación de diamantes mediante choque explosivo]. Nauka — Ciencia, tomo 133, núm. 3467, pp. 1821 – 1822.
3. Staver, A. M., Gubareva, N. V., Lyamkin, A. I., y Petrov, E. A. (1984). Ul'tradispersnye almaznye poroshki, poluchennye s ispol'zovaniem energii vzryva [Polvos de diamante ultradispersos obtenidos mediante energía explosiva]. Fizika goreniya i vzryva — Física de la combustión y la explosión, tomo 20, núm. 5, pp. 100 – 104.
4. Adadurov, G. A. (1990). Fiziko-khimicheskie prevrashcheniya veshchestv v udarnykh volnakh s uchastiem gazov [Transformaciones físico-químicas de sustancias en ondas de choque con participación de gases]. Zhurnal VKhO im. D. I. Mendeleeva — Revista de la Sociedad Química Mendeleéva, tomo 35, núm. 5, pp. 595 – 599.
5. Sakovich, G. V., y Gubarevich, V. D. (1990). Poluchenie almaznykh klasterov vzryvom i ikh prakticheskoe primenenie [Obtención de clusters de diamante mediante explosión y sus aplicaciones prácticas]. Zhurnal VKhO im. D. I. Mendeleeva — Revista de la Sociedad Química Mendeleéva, tomo 30, núm. 2, pp. 402 – 404.
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07.04.2025
Diamante: formas y elementos del tallado
Los diamantes naturales y los creados en laboratorio no se utilizan en joyería en el mismo estado en que se extraen de la tierra o se producen artificialmente. Solo adquieren su valor como joyas cuando son tallados y pulidos con precisión, convirtiéndose así en verdaderos diamantes.
Un diamante natural (izquierda) y un diamante tallado (derecha)
Un diamante es una piedra preciosa que ha sido sometida a un proceso de tallado para adoptar una forma que resalte al máximo su capacidad de reflejar y refractar la luz. La palabra «diamante» proviene del griego «adamas», que significa «invencible» o «indomable», en referencia a su extrema dureza. Es precisamente el arte del tallado lo que convirtió al diamante en la gema más preciada del mundo de la alta joyería.
Aunque los diamantes ya eran considerados piedras valiosas desde antes de nuestra era, no se tallaban, ya que se creía que perderían sus poderes místicos. No fue hasta el siglo IV d.C. cuando los artesanos indios comenzaron a trabajar los diamantes naturales siguiendo sus facetas cristalinas.
El patrón del tallado brillante surgió en Europa a finales del siglo XVII, a medida que se profundizaba el conocimiento sobre las propiedades ópticas del diamante y se perfeccionaban las técnicas de corte. Desde entonces, la forma redonda brillante con 58 facetas se ha convertido en la más difundida. Sin embargo, la faceta número 58, conocida como culet (caleta), no es obligatoria, por lo que los diamantes modernos suelen tener 57 facetas.
Elementos del tallado de un diamante redondo brillante
El diamante es el mineral más duro conocido en la escala de Mohs, gracias a su estructura cristalina cúbica compuesta por átomos de carbono. Esta propiedad única del mineral hace imposible que existan dos diamantes exactamente iguales, aunque todos comparten una estructura común [1].
Elementos del tallado
Cintilla — es la banda que rodea el perímetro de la sección más ancha del diamante, dividiendo la piedra en dos mitades: parte superior (corona) y parte inferior (pabellón).
Pabellón — es la parte inferior del diamante, situada por debajo de la cintilla. Está compuesta por 24 facetas.
Facetas principales del pabellón — ocho facetas cuadrangulares en el pabellón que convergen hacia el culet.
Corona — es la parte superior del diamante, ubicada por encima de la cintilla. Está formada por 33 facetas.
Mesa — es la faceta principal y plana, de forma octogonal, situada en la parte superior de la corona.
Facetas estrella — ocho facetas triangulares adyacentes a la mesa, ubicadas en la parte superior de la corona.
Facetas de bisel (también llamadas facetas principales de la corona) — ocho facetas cuadrangulares que se sitúan entre las facetas estrella y la cintilla.
La forma estándar del corte brillante fue desarrollada por Marcel Tolkowsky en 1919 en su obra Diamond Design, en la que describió cómo se comporta la luz dentro de un diamante tallado [2].
Según sus cálculos, el diamante alcanza su máximo brillo y dispersión (fuego) cuando se respetan las siguientes proporciones:
Diámetro de la mesa: 53 % del diámetro total (medido en la cintilla)
Ángulo de la corona: 34°30′
Ángulo del pabellón: 40°45′
Estas proporciones fueron confirmadas en la práctica al analizar diamantes de alta calidad con tallado excelente.
Proporciones ideales según Tolkowsky
Tallas fantasía de diamantes
Aunque las proporciones propuestas por Tolkowsky siguen considerándose un estándar ideal, los maestros talladores siempre han buscado conservar la mayor masa posible del diamante y, al mismo tiempo, resaltar su belleza natural de formas novedosas. Con el tiempo, esto dio lugar a cortes alternativos conocidos en el mercado joyero como tallas de fantasía [3].
Principales estilos de talla de diamantes
Las tallas fantasía se dividen, de forma general, en tres grupos:
Tallas brillantes modificadas, que visualmente recuerdan a la forma redonda: Oval Marquesa Pera Corazón Cojín Tallas escalonadas, caracterizadas por facetas dispuestas en niveles: Baguette Esmeralda Asscher Tallas mixtas, que combinan el brillo de las facetas brillantes con la estructura geométrica de las escalonadas: Princesa Radiante Octagonal
Distribución de tallas en el mercado (Bolsa de Diamantes de Bombay, 1 quilate):
Talla redonda brillante — 56,6 % Cojín — 8,7 % Oval — 7,3 % Pear — 7,0 % Esmeralda — 5,7 % Princesa — 5,3 % Radiante — 4,5 % Corazón — 2,5 % Marquesa — 2,4 %
El predominio de la talla redonda se debe a su excelente rendimiento óptico, facilidad de engaste y mayor durabilidad, ya que carece de esquinas o bordes puntiagudos susceptibles de astillarse.
Gracias a las tecnologías modernas de tallado, hoy en día es posible crear diamantes con una gran variedad de formas y estilos de brillo. Los joyeros expertos diseñan engastes que realzan la individualidad de cada piedra. Así, cada diamante no solo representa una elección estética, sino también una expresión de gusto, carácter y estilo personal. Puede convertirse tanto en una joya de colección como en un regalo invaluable que perdure para toda la vida.
Referencias
1. Kuznetsov, A. S. (2003). Parametry ogranki almazov i ikh vliyanie na stoimost' brilliantov [Parámetros de tallado de diamantes y su influencia en el valor de los brillantes]. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten — Boletín Informativo y Analítico de Minería, núm. 6.
2. Tolkowsky, M. (1919). Diamond Design: A Study of the Reflection and Refraction of Light in a Diamond [Diseño de diamantes: Un estudio sobre la reflexión y refracción de la luz en el diamante]. London, New York: Spon, Spon & Chamberlain. 104 págs.
3. Shelementiev, Yu. B., et al. (Eds.). (2005). Brillianty: diagnostika, ekspertiza, otsenka: uchebno-spravochnoe posobie [Brillantes: diagnóstico, peritaje y valoración: manual académico y de referencia] (2ª ed., corr. y aum.). Moscú: MAKS Press. 209 págs.
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07.04.2025
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.
Prensa cúbica (izquierda), sistema BARS (derecha)
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.
Tipos de celdas de crecimiento: prensa cúbica (izquierda), sistema BARS (derecha)
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.
Estructura de una celda de crecimiento de diamantes
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.
Diamantes HPHT de colores
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].
El diamante más grande producido mediante HPHT hasta el año 2020 fue cultivado por la empresa rusa New Diamond Technology LLC, con sede en San Petersburgo. El cristal alcanzó un peso de 129,47 quilates
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.
Referencias
1. Leipunskii, O. I. (1939). Ob iskusstvennykh almazakh [Sobre los diamantes artificiales]. Uspekhi khimii — Revista Progresos de la química, tomo 8, fasc. 10, pp. 1519 – 1534.
2. Palyanov, Yu. N. (2008). Gde rastut almazy [Dónde crecen los diamantes]. Nauka iz pervykh ruk — Ciencia de Primera Mano, núm. 1 (19), pp. 12 – 31.
3. Smith, G. (2006). Dragotsennye kamni [Piedras preciosas] (A. S. Arsánov et al., del inglés por; 3ª ed. ampl.). Moscú: AST, Astrel. 511 págs.
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