كيف يتم تصنيع الماس معمليًا

الماس هو أحد أنواع الكربون المتبلورة، وهو يتميز بصلابته العالية وبريقه الجميل وقيمته الثمينة. ويتكون الماس في الطبيعة في ظروف خاصة من الضغط والحرارة في باطن الأرض، ويخرج إلى سطحها بواسطة الانفجارات البركانية. ولكن هذه العملية تستغرق ملايين السنين، وتنتج كمية محدودة من الماس، لذلك بدأ العلماء في محاولة تخليق الماس معمليًا منذ أكثر من قرن.

وفي هذا المقال، سنتعرف على طرق تخليق الماس معمليًا، والتي تستخدم عادة إحدى طريقتين رئيسيتين: طريقة الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية (HPHT)، وطريقة الترسيب الكيميائي للبخار (CVD).

طريقة الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية (HPHT)

كما يوحي الاسم، هذه هي الطريقة التي تحاكي ظروف مماثلة لما هو موجود تحت سطح الأرض. يتم تطبيق ضغط عالٍ جدًا على الكربون في درجة حرارة عالية جدًا لتحويله إلى ماس. تستخدم هذه الطريقة حزام أو قبة أو أسطوانة من المعادن لإنشاء ضغط يصل إلى 60 كيلوبار، وهو ما يعادل 600 ضغط جوِّ. كما يتم استخدام التسخين بالتيارات الكهربائية أو المجالات المغناطيسية لإنشاء درجات حرارة تصل إلى 1500 درجة مئوية.

وهناك ثلاث طرق فرعية لهذه الطريقة، تختلف في نوع المادة المستخدمة كمصدر للكربون، وهي:

• طريقة التحول: تستخدم هذه الطريقة قطعًا صغيرة من الماس الطبيعي أو المصنَّع كبذور لإنشاء الماس الجديد. يتم وضع هذه البذور في حجرة مع مصدر للكربون، مثل جرافيت أو فحم نباتي أو حديد كاربونيل، وتحت ضغط وحرارة عالية. يتحول مصدر الكربون إلى حالة سائلة أو بلازمية، ويرسب على سطح بذور الماس، مشكِّلاً طبقات جديدة من الماس. يستغرق هذا الأسلوب من دقائق إلى ساعات لإنتاج قطع صغيرة من الماس، تتراوح بين 0.1 إلى 10 قيراط.
• طريقة الحل: تستخدم هذه الطريقة معادن مختلفة، مثل النيكل أو الحديد أو الكوبالت، كمذيبات للكربون. يتم وضع مزيج من المعدن والكربون في حجرة، وتحت ضغط وحرارة عالية. يذوب الكربون في المعدن، ويتم تبريده ببطء لإنشاء شروط ملائمة لتكوين الماس. يتم استخدام بذور الماس أو حبيبات صغيرة من الماس كمراكز للنمو. يستغرق هذا الأسلوب من ساعات إلى أيام لإنتاج قطع صغيرة من الماس، تتراوح بين 0.01 إلى 1 قيراط.
• طريقة التفجير: تستخدم هذه الطريقة مسحوق من الماس أو الجرافيت كمصدر للكربون. يتم وضع هذا المسحوق في حجرة، وتحت ضغط وحرارة عالية. يتفاعل الكربون مع نيتروجين أو هيليوم أو غاز نشط آخر، مشكِّلاً غازًا مشبَّعًا بالكربون. يتم تبريد هذا الغاز بسرعة عالية، مما يؤدي إلى تكثفه وتجمُّده على شكل بلورات من الماس. يستغرق هذا الأسلوب من ثوانٍ إلى دقائق لإنتاج قطع صغيرة من الماس، تتراوح بين 0.001 إلى 0.1 قيراط.

طريقة الترسيب الكيميائي للبخار (CVD)

هذه هي الطريقة التي تستخدم غازًا يحتوي على ذرات كربون لإنشاء طبقات رقيقة من الماس على سطح صلب. تستخدم هذه الطريقة حجرة فراغية، وفوهات لإدخال الغاز، ومصادر للحرارة أو الإشعاع أو التفريغ الكهربائي لتفعيل الغاز. يتفكَّك الغاز إلى جزئيات صغيرة، بعضها يحتوي على ذرات كربون حُرَّة. تتجه هذه الذرات إلى سطح الأساس، وتلتصق به، مشكِّلاً طبقات رقيقة من الماس. يستخدم هذا الأسلوب بذور الماس أو رقائق من الماس أو حتى مادة أخرى كأساس للنمو.

هذه الطريقة لها عدة مزايا عن طريقة HPHT، فهي تستخدم درجات حرارة أقل، ولا تحتاج إلى ضغط عالٍ، وتسمح بالتحكم في شكل وحجم وخصائص الماس المنتج. وتستخدم هذه الطريقة لإنتاج أشكال مختلفة من الماس، مثل الأغشية والأسلاك والأنابيب والكريات. كما تستخدم هذه الطريقة لإنتاج أنواع خاصة من الماس، مثل الماس الأزرق أو الماس الأحمر أو الماس المضيء.

وهناك عدة طرق فرعية لهذه الطريقة، تختلف في نوع الغاز المستخدم وطريقة تفعيله، وهي:

• طريقة التفريغ الحراري: تستخدم هذه الطريقة غازًا يحتوي على ميثان أو أسيتيلين أو غاز آخر يحتوي على كربون وهيدروجين. يتم تسخين هذا الغاز باللهب أو بالفيلامنت الكهربائي أو بالليزر، مما يؤدي إلى تفككه إلى جزئيات صغيرة، بعضها يحتوي على ذرات كربون حُرَّة. تتجه هذه الذرات إلى سطح الأساس، وتلتصق به، مشكِّلاً طبقات رقيقة من الماس.
• طريقة التفريغ الكهرومغناطيسي: تستخدم هذه الطريقة غازًا يحتوي على ميثان أو هيدروجين أو غاز آخر يحتوي على كربون. يتم تعرض هذا الغاز لمجال كهرومغناطيسي قوي، مما يؤدي إلى تأينه وتفككه إلى جزئيات صغيرة، بعضها يحتوي على ذرات كربون حُرَّة. تتجه هذه الذرات إلى سطح الأساس، وتلتصق به، مشكِّلاً طبقات رقيقة من الماس.
• طريقة التفريغ بالبلازما: تستخدم هذه الطريقة غازًا يحتوي على ماء أو كحول أو غاز آخر يحتوي على كربون وأكسجين. يتم تعرض هذا الغاز للإشعاع بالموجات اللاسلكية أو بالمجالات المغناطية، مما يؤدي إلى تحوله إلى حالة بلازمية. في هذه الحالة، يفصل الكربون عن الأكسجين، وتتجه ذرات الكربون إلى سطح الأساس، وتلتصق به، مشكِّلاً طبقات رقيقة من الماس.

مقارنة بين الألماس الصناعي والطبيعي

أدوات يستخدمها خبراء الماس للتحقق من جودته

خبراء الماس يستخدمون مجموعة من الأدوات والأجهزة للتحقق من صدق وجودة الأحجار الكريمة ، وهذه بعض منها :

• مقياس الوزن : يستخدم لقياس وزن الماس بالقيراط ، وهو واحد من عوامل تصنيف الماس . وزن الماس يؤثر على قيمته وجاذبيته ، ولكنه ليس العامل الوحيد .
• مجهر : يستخدم لفحص الماس من الداخل والخارج ، والكشف عن أي عيوب أو شوائب أو تشققات قد تؤثر على جودته . كما يستخدم لملاحظة شكل البلورة والتأكد من أنها متناظرة ومتناسقة .
• مقياس الانكسار : يستخدم لقياس معامل الانكسار للماس ، وهو مقياس لانكسار الضوء عند مروره من وسط إلى آخر . معامل الانكسار يساعد على تحديد نوع المادة ونقاوتها ، والماس له معامل انكسار عالي جدًا .
• جهاز اختبار الماس : يستخدم لاختبار إذا كان الماس حقيقيًا أم مزيفًا ، بناءً على خاصية التوصيل الحراري Thermal Conductivity . الماس يتميز بأنه موصل جيد للحرارة ، بينما المواد الأخرى التي تشبه الماس ، مثل الزركون المكعب Cubic Zirconia أو كربيد السيليكون Moissanite ، تكون عازلة أو موصلة ضعيفة . جهاز اختبار الماس يحتوي على رأس إبرة تلامس الماس ، وإذا كان حقيقيًا ، فإن الجهاز يعطي قراءة أو إشارة صوتية . هناك أجهزة اختبار مختلفة تستطيع التفريق بين الماس والمادة التي تشبهه .
• جهاز اختبار الماسات الصناعية : يستخدم لاختبار إذا كان الماس صناعيًا أم طبيعيًا ، بناءً على خصائص الامتصاص الطيفية Spectral Absorption . الماسات الصناعية تحتوي على بعض الشوائب أو التغيرات في التركيب الذري التي تجعلها تمتص بعض أطوال الموجات من الضوء . جهاز اختبار الماسات الصناعية يستخدم شعاعًا من الضوء فوق البنفسجي Ultraviolet Light أو التحت حمراء Infrared Light لإضاءة الماس ، وإذا كان صناعيًا ، فإن الجهاز يعطي قراءة أو إشارة صوتية . هذا الجهاز يستطيع التفرق بين الماس الطبيعي والماس المخلق اصطناعيًا.