Diamante sintético

La primera síntesis de diamante conocida (aunque inicialmente no reportada) se logró el 16 de febrero de 1953 en Estocolmo por ASEA (Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget), la principal empresa sueca de fabricación de equipos eléctricos. A partir de 1942, ASEA empleó a un equipo de cinco científicos e ingenieros como parte de un proyecto ultrasecreto de fabricación de diamantes con nombre en clave QUINTUS. El equipo utilizó un voluminoso aparato de esfera dividida diseñado por Baltzar von Platen y Anders Kämpe. ^{[ 28 ] [ 29 ]} La presión dentro del dispositivo se mantuvo a un estimado de 8,4 GPa (1.220.000 psi) y una temperatura de 2.400 °C (4.350 °F) durante una hora. Se produjeron algunos diamantes pequeños, pero no de calidad ni tamaño gema.    

Debido a las dudas sobre el proceso de patentes y a la creencia razonable de que no se había realizado ninguna otra investigación seria sobre la síntesis de diamantes a nivel mundial, la junta directiva de ASEA optó por no hacer publicidad ni solicitar patentes. Por lo tanto, el anuncio de los resultados de ASEA se produjo poco después de la conferencia de prensa de GE del 15 de febrero de 1955. ^{[ 30 ]}

En 1941, General Electric (GE), Norton y Carborundum firmaron un acuerdo para seguir desarrollando la síntesis de diamantes. Lograron calentar carbono a unos 3000 °C (5430 °F) bajo una presión de 3,5 gigapascales (510 000 psi) durante unos segundos. Poco después, la Segunda Guerra Mundial interrumpió el proyecto. Este se reanudó en 1951 en los Laboratorios Schenectady de GE , y se formó un grupo de investigación sobre diamantes a alta presión con Francis P. Bundy y H. M. Strong. Tracy Hall y otros se unieron al proyecto más tarde. ^{[ 28 ]}   

El grupo de Schenectady mejoró los yunques diseñados por Percy Bridgman , quien recibió el Premio Nobel de Física por su trabajo en 1946. Bundy y Strong realizaron las primeras mejoras, y posteriormente Hall hizo más. El equipo de GE utilizó yunques de carburo de tungsteno dentro de una prensa hidráulica para comprimir la muestra carbonácea contenida en un recipiente de catlinita ; el grano resultante se expulsaba del recipiente hacia una junta. El equipo registró la síntesis de diamante en una ocasión, pero el experimento no pudo reproducirse debido a la incertidumbre de las condiciones de síntesis, ^{[ 31 ]} y posteriormente se demostró que el diamante había sido un diamante natural utilizado como semilla. ^{[ 32 ]}

Hall logró la primera síntesis comercialmente exitosa de diamante el 16 de diciembre de 1954, y esto se anunció el 15 de febrero de 1955. Su avance se produjo cuando utilizó una prensa con una "cinta" toroidal de acero endurecido , tensada hasta su límite elástico, que envolvía la muestra, produciendo presiones superiores a 10 GPa (1.500.000 psi) y temperaturas superiores a 2.000 °C (3.630 °F) . ^{[ 33 ]} La prensa utilizaba un recipiente de pirofilita en el que el grafito se disolvía en níquel , cobalto o hierro fundido. Estos metales actuaban como un "disolvente- catalizador ", que disolvía el carbono y aceleraba su conversión en diamante. El diamante más grande que produjo tenía 0,15 mm (0,0059 pulgadas) de diámetro; era demasiado pequeño y visualmente imperfecto para joyería, pero utilizable en abrasivos industriales. Los colaboradores de Hall pudieron replicar su trabajo, y el descubrimiento se publicó en la importante revista Nature . ^{[ 34 ] [ 35 ]} Fue la primera persona en cultivar un diamante sintético mediante un proceso reproducible, verificable y bien documentado. Dejó GE en 1955 y, tres años después, desarrolló un nuevo aparato para la síntesis de diamante —una prensa tetraédrica con cuatro yunques— para evitar infringir una orden de secreto del Departamento de Comercio de EE. UU. sobre las solicitudes de patente de GE. ^{[ 32 ] [ 36 ]}      

Los cristales de diamante sintéticos de calidad gema fueron producidos por primera vez en 1970 por GE y reportados en 1971. Los primeros éxitos utilizaron un tubo de pirofilita con finas partículas de diamante en cada extremo. El material de alimentación de grafito se colocó en el centro y el disolvente metálico (níquel) entre el grafito y las partículas. El recipiente se calentó y la presión se elevó a aproximadamente 5,5 GPa (800 000 psi) . Los cristales crecen a medida que fluyen desde el centro hacia los extremos del tubo, y al extender la longitud del proceso se obtienen cristales más grandes. Inicialmente, un proceso de crecimiento de una semana producía piedras de calidad gema de alrededor de 5 mm (0,20 pulgadas) (1 quilate o 0,2 g), y las condiciones del proceso debían ser lo más estables posible. El material de alimentación de grafito pronto fue reemplazado por polvo de diamante, ya que esto permitía un control mucho mejor de la forma del cristal final. ^{[ 35 ] [ 37 ]}    

Las primeras piedras de calidad gema siempre eran de color amarillo a marrón debido a la contaminación con nitrógeno . Las inclusiones eran comunes, especialmente las de tipo "placa" provenientes del níquel. La eliminación de todo el nitrógeno del proceso mediante la adición de aluminio o titanio produjo piedras incoloras "blancas", y la eliminación del nitrógeno y la adición de boro produjeron piedras azules. ^{[ 38 ]} La eliminación del nitrógeno también ralentizó el proceso de crecimiento y redujo la calidad cristalina, por lo que el proceso normalmente se realizaba con nitrógeno presente.

Aunque las piedras GE y los diamantes naturales eran químicamente idénticos, sus propiedades físicas no eran las mismas. Las piedras incoloras producían una fuerte fluorescencia y fosforescencia bajo luz ultravioleta de onda corta, pero eran inertes bajo luz ultravioleta de onda larga. Entre los diamantes naturales, solo las gemas azules, más raras , exhiben estas propiedades. A diferencia de los diamantes naturales, todas las piedras GE mostraron una fuerte fluorescencia amarilla bajo rayos X. ^{[ 39 ]} El Laboratorio de Investigación de Diamantes de De Beers ha cultivado piedras de hasta 25 quilates (5,0 g) con fines de investigación. Se mantuvieron condiciones estables de alta presión y alta temperatura durante seis semanas para cultivar diamantes de alta calidad de este tamaño. Por razones económicas, el crecimiento de la mayoría de los diamantes sintéticos se detiene cuando alcanzan una masa de 1 a 1,5 quilates (200 a 300 mg) . ^{[ 40 ]}  

En la década de 1950, se inició en la Unión Soviética y en los EE. UU. la investigación sobre el crecimiento del diamante mediante la pirólisis de gases de hidrocarburos a la temperatura relativamente baja de 800 °C (1470 °F) . Este proceso de baja presión se conoce como deposición química de vapor (CVD). Según se informa, William G. Eversole logró la deposición de vapor de diamante sobre un sustrato de diamante en 1953, pero no se informó hasta 1962. ^{[ 41 ] [ 42 ]} La deposición de película de diamante fue reproducida independientemente por Angus y colaboradores en 1968 ^{[ 43 ]} y por Deryagin y Fedoseev en 1970. ^{[ 44 ] [ 45 ]} Mientras que Eversole y Angus utilizaron diamantes monocristalinos grandes y costosos como sustratos, Deryagin y Fedoseev lograron hacer películas de diamante sobre materiales que no eran de diamante ( silicio y metales), lo que condujo a una investigación masiva sobre recubrimientos de diamante económicos en la década de 1980. ^{[ 46 ]}  

Desde 2013, surgieron informes sobre un aumento en la presencia de diamantes pequeños sintéticos no declarados (diamantes redondos pequeños que se utilizan normalmente para enmarcar un diamante central o adornar una banda) ^{[ 47 ]} en joyas engastadas y dentro de lotes de diamantes vendidos en el mercado. ^{[ 48 ]} Debido al costo relativamente bajo de los diamantes pequeños, así como a la relativa falta de conocimiento universal para identificar grandes cantidades de diamantes pequeños de manera eficiente, ^{[ 49 ]} no todos los comerciantes se han esforzado por analizar los diamantes pequeños para identificar correctamente si son de origen natural o sintético. Sin embargo, los laboratorios internacionales están comenzando a abordar el problema de frente, y se están realizando mejoras significativas en la identificación de diamantes pequeños sintéticos. ^{[ 50 ]}

El diamante sintético sin tallar más grande tiene 150,42 quilates y fue creado por Meylor Global LLP (Reino Unido) y el Dr. Andrey Katrusha (Ucrania) en Kiev, Ucrania, y verificado el 16 de noviembre de 2021. El diamante tallado mide 28,55 x 28,25 x 22,53 mm. ^{[ 51 ]}

Durante décadas, los diamantes sintéticos estuvieron relegados exclusivamente a herramientas industriales de corte y pulido. Sin embargo, a finales de la década de 2010 y principios de la de 2020, la calidad de los métodos de alta presión y alta temperatura (HPHT) y de deposición química de vapor (CVD) mejoró lo suficiente como para producir de forma consistente piedras incoloras de calidad gema.

Este salto tecnológico culminó en importantes cambios comerciales. En 2021, Pandora, la marca de joyería más grande del mundo por volumen, anunció un cambio histórico: dejaría de usar diamantes extraídos de minas en sus colecciones y pasaría exclusivamente a diamantes cultivados en laboratorio. La decisión fue impulsada por la demanda de los consumidores de un lujo más asequible y con menor impacto ambiental, lo que transformó radicalmente los diamantes sintéticos, convirtiéndolos de una alternativa de nicho en un elemento básico de la joyería convencional. ^{[ 52 ]}

En el método HPHT, se utilizan tres diseños principales de prensas para suministrar la presión y la temperatura necesarias para producir diamante sintético: la prensa de banda, la prensa cúbica y la prensa de esfera dividida ( BARS ). Las semillas de diamante se colocan en la parte inferior de la prensa. La parte interna de la prensa se calienta por encima de 1400 °C (2550 °F) y funde el metal disolvente. El metal fundido disuelve la fuente de carbono de alta pureza, que luego se transporta a las pequeñas semillas de diamante y precipita , formando un diamante sintético de gran tamaño. ^{[ 56 ]}  

La invención original de GE por Tracy Hall utiliza una prensa de banda en la que los yunques superior e inferior suministran la carga de presión a una celda interna cilíndrica. Esta presión interna se confina radialmente mediante una banda de bandas de acero pretensadas. Los yunques también funcionan como electrodos, suministrando corriente eléctrica a la celda comprimida. Una variante de la prensa de banda utiliza presión hidráulica , en lugar de bandas de acero, para confinar la presión interna. ^{[ 56 ]} Las prensas de banda todavía se utilizan hoy en día, pero se construyen a una escala mucho mayor que las del diseño original. ^{[ 57 ]}

El segundo tipo de diseño de prensa es la prensa cúbica. Una prensa cúbica tiene seis yunques que proporcionan presión simultáneamente sobre todas las caras de un volumen en forma de cubo. ^{[ 58 ]} El primer diseño de prensa de múltiples yunques fue una prensa tetraédrica, que utilizaba cuatro yunques para converger en un volumen en forma de tetraedro . ^{[ 59 ]} La prensa cúbica se creó poco después para aumentar el volumen al que se podía aplicar presión. Una prensa cúbica suele ser más pequeña que una prensa de banda y puede alcanzar más rápidamente la presión y la temperatura necesarias para crear diamante sintético . Sin embargo, las prensas cúbicas no se pueden ampliar fácilmente a volúmenes mayores: el volumen presurizado se puede aumentar utilizando yunques más grandes, pero esto también aumenta la cantidad de fuerza necesaria sobre los yunques para lograr la misma presión. Una alternativa es disminuir la relación superficie-volumen del volumen presurizado, utilizando más yunques para converger en un sólido platónico de orden superior , como un dodecaedro . Sin embargo, una prensa de este tipo sería compleja y difícil de fabricar. ^{[ 58 ]}

Se afirma que el aparato BARS es la prensa para la producción de diamantes más compacta, eficiente y económica. En el centro de un dispositivo BARS, hay una cápsula de síntesis cilíndrica de cerámica de aproximadamente 2 cm³ (0,12 pulgadas cúbicas ⁾ de tamaño. La celda se coloca dentro de un cubo de material transmisor de presión, como cerámica de pirofilita, que es presionado por yunques internos hechos de carburo cementado (por ejemplo, carburo de tungsteno o aleación dura VK10). ^{[ 60 ]} La cavidad octaédrica externa es presionada por 8 yunques externos de acero. Después del montaje, todo el conjunto se bloquea en un cilindro de tipo disco con un diámetro de aproximadamente 1 m (3 pies 3 pulgadas) . El cilindro se llena de aceite, que se presuriza al calentarse, y la presión del aceite se transfiere a la celda central. La cápsula de síntesis se calienta mediante un calentador coaxial de grafito, y la temperatura se mide con un termopar . ^{[ 61 ]}      

La deposición química de vapor es un método para cultivar diamante a partir de una mezcla de hidrocarburos y gases. Desde principios de la década de 1980, este método ha sido objeto de intensa investigación a nivel mundial. Si bien la producción en masa de cristales de diamante de alta calidad convierte al proceso HPHT en la opción más adecuada para aplicaciones industriales, la flexibilidad y simplicidad de los sistemas CVD explican la popularidad del crecimiento CVD en la investigación de laboratorio. Las ventajas del crecimiento de diamante CVD incluyen la capacidad de cultivar diamante en grandes áreas y sobre diversos sustratos, así como el control preciso de las impurezas químicas y, por lo tanto, de las propiedades del diamante producido. A diferencia del HPHT, el proceso CVD no requiere altas presiones, ya que el crecimiento suele producirse a presiones inferiores a 27 kPa (3,9 psi) . ^{[ 53 ] [ 62 ]}  

El crecimiento mediante CVD implica la preparación del sustrato, la introducción de cantidades variables de gases en una cámara y su energización. La preparación del sustrato incluye la elección de un material adecuado y su orientación cristalográfica; su limpieza, a menudo con polvo de diamante para eliminar el sustrato no diamantino; y la optimización de la temperatura del sustrato (aproximadamente 800 °C (1470 °F) ) durante el crecimiento mediante una serie de ensayos. Además, la optimización de la composición y el caudal de la mezcla de gases es fundamental para garantizar un crecimiento de diamante uniforme y de alta calidad. Los gases siempre incluyen una fuente de carbono, típicamente metano , e hidrógeno con una proporción típica de 1:99. El hidrógeno es esencial porque elimina selectivamente el carbono no diamantino. Los gases se ionizan en radicales químicamente activos en la cámara de crecimiento mediante microondas , filamento caliente , descarga de arco , soplete de soldadura , láser , haz de electrones u otros medios.  

Durante el crecimiento, los materiales de la cámara se eliminan mediante el plasma y pueden incorporarse al diamante en crecimiento. En particular, el diamante CVD suele estar contaminado con silicio procedente de las ventanas de sílice de la cámara de crecimiento o del sustrato de silicio. ^{[ 63 ]} Por lo tanto, se evitan las ventanas de sílice o se alejan del sustrato. Las especies que contienen boro en la cámara, incluso en niveles traza muy bajos, también la hacen inadecuada para el crecimiento de diamante puro. ^{[ 53 ] [ 62 ] [ 64 ]}

^Los nanocristales de diamante ( de 5 nm (2,0 × 10⁻⁷ in) de diámetro) se pueden formar detonando ciertos explosivos que contienen carbono en una cámara metálica. Estos se denominan "nanodiamantes de detonación". Durante la explosión, la presión y la temperatura en la cámara alcanzan niveles suficientemente altos como para convertir el carbono de los explosivos en diamante. Al estar sumergida en agua, la cámara se enfría rápidamente después de la explosión, lo que suprime la conversión del diamante recién producido en grafito, más estable. ^{[ 65 ]} En una variante de esta técnica, se coloca un tubo metálico lleno de polvo de grafito en la cámara de detonación. La explosión calienta y comprime el grafito lo suficiente como para convertirlo en diamante. ^{[ 66 ]} El producto siempre es rico en grafito y otras formas de carbono distintas del diamante, y requiere una ebullición prolongada en ácido nítrico caliente (aproximadamente 1 día a 250 °C (482 °F) ) para disolverlos. ^{[ 54 ]} El polvo de nanodiamante recuperado se utiliza principalmente en aplicaciones de pulido. Se produce principalmente en China, Rusia y Bielorrusia , y comenzó a llegar al mercado en grandes cantidades a principios de la década de 2000. ^{[ 67 ]}    

Se pueden sintetizar cristales de diamante de tamaño micrométrico a partir de una suspensión de grafito en un líquido orgánico a presión atmosférica y temperatura ambiente mediante cavitación ultrasónica . El rendimiento de diamante es de aproximadamente el 10 % del peso inicial del grafito. El costo estimado del diamante producido por este método es comparable al del método HPHT, pero la perfección cristalina del producto es significativamente peor en la síntesis ultrasónica. Esta técnica requiere equipos y procedimientos relativamente sencillos, y ha sido descrita por dos grupos de investigación, pero no tenía uso industrial hasta 2008. Numerosos parámetros del proceso, como la preparación del polvo de grafito inicial, la elección de la potencia ultrasónica, el tiempo de síntesis y el disolvente, no se optimizaron, lo que deja margen para una posible mejora de la eficiencia y una reducción del costo de la síntesis ultrasónica. ^{[ 55 ] [ 68 ]}

En 2024, los científicos anunciaron un método que utiliza la inyección de gases de metano e hidrógeno sobre una aleación de metal líquido de galio , hierro, níquel y silicio (proporción 77,25/11,00/11,00/0,25) a aproximadamente 1025 °C para cristalizar diamante a 1 atmósfera de presión. La cristalización es un proceso "sin semillas", lo que lo diferencia aún más de los métodos convencionales de deposición química  en fase vapor a alta presión y alta temperatura . La inyección de metano e hidrógeno da como resultado un núcleo de diamante después de unos 15 minutos y, finalmente, una película continua de diamante después de unos 150 minutos. ^{[ 69 ] [ 70 ]}

En 2014, un geocientífico del Instituto Geológico Bávaro (Bayerisches Geoinstitut) en Alemania demostró que se pueden crear diamantes sintéticos a partir de alimentos domésticos comunes y ricos en carbono, siendo el ejemplo más conocido la mantequilla de cacahuete .

Para simular las condiciones extremas del manto inferior de la Tierra , los investigadores utilizaron una prensa de múltiples yunques para someter la mantequilla de cacahuete a presiones hasta 1,3 millones de veces superiores a la presión atmosférica terrestre, calentándola a más de 2200 °C (4000 °F). La intensa presión expulsa los átomos de hidrógeno volátiles de la estructura molecular de la mantequilla de cacahuete, aislando el carbono puro restante y transformándolo en una red cristalina de diamante.

Sin embargo, debido a que el abundante hidrógeno unido al carbono en los alimentos ralentiza significativamente la transformación química, se necesitan semanas para producir incluso una pequeña gema de dos milímetros . El experimento no se realizó con fines comerciales, sino para comprender mejor los mecanismos geológicos que atrapan el carbono en el interior de la Tierra. ^{[ 71 ]}

Un sector especializado de la industria del diamante sintético utiliza la síntesis química para convertir restos humanos o animales en "diamantes conmemorativos". Dado que el cuerpo humano está compuesto aproximadamente por un 18 % de carbono , este se puede aislar de cenizas o muestras de cabello mediante un proceso de vacío a alta temperatura. Una vez convertido en grafito , el material se coloca en una prensa HPHT (alta presión y alta temperatura) para producir un diamante certificado. Este proceso permite a las familias convertir el carbono de un ser querido fallecido en una gema. ^{[ 72 ]}

El diamante puede ser un cristal único y continuo o estar compuesto por muchos cristales más pequeños ( policristal ). Los diamantes monocristalinos grandes, claros y transparentes se utilizan habitualmente como gemas. El diamante policristalino (PCD) consta de numerosos granos pequeños, que se ven fácilmente a simple vista debido a la fuerte absorción y dispersión de la luz; no es apto para gemas y se utiliza en aplicaciones industriales como la minería y las herramientas de corte. El diamante policristalino se suele describir por el tamaño medio (o tamaño de grano ) de los cristales que lo componen. Los tamaños de grano varían desde nanómetros hasta cientos de micrómetros , generalmente denominados diamante "nanocristalino" y "microcristalino", respectivamente. ^{[ 74 ]}

La dureza del diamante es 10 en la escala de Mohs de dureza mineral , el material más duro conocido en esta escala. El diamante es también el material natural más duro conocido por su resistencia a la indentación. ^{[ 75 ]} La dureza del diamante sintético depende de su pureza, perfección cristalina y orientación: la dureza es mayor para cristales puros e impecables orientados en la dirección [ 111 ] (a lo largo de la diagonal más larga de la red cúbica del diamante). ^{[ 76 ]} El diamante nanocristalino producido mediante crecimiento de diamante CVD puede tener una dureza que oscila entre el 30 % y el 75 % de la del diamante monocristalino, y la dureza se puede controlar para aplicaciones específicas. Algunos diamantes monocristalinos sintéticos y diamantes nanocristalinos HPHT (véase hiperdiamante ) son más duros que cualquier diamante natural conocido. ^{[ 75 ] [ 77 ] [ 78 ]}

Cada diamante contiene átomos distintos del carbono en concentraciones detectables mediante técnicas analíticas. Estos átomos pueden agruparse formando fases macroscópicas denominadas inclusiones. Generalmente se evitan las impurezas, pero pueden introducirse intencionadamente para controlar ciertas propiedades del diamante. Los procesos de crecimiento del diamante sintético, mediante catalizadores disolventes, suelen dar lugar a la formación de diversos centros complejos relacionados con las impurezas, que involucran átomos de metales de transición (como níquel, cobalto o hierro), los cuales afectan las propiedades electrónicas del material. ^{[ 79 ] [ 80 ]}

Por ejemplo, el diamante puro es un aislante eléctrico , pero el diamante con boro añadido es un conductor eléctrico (y, en algunos casos, un superconductor ), ^{[ 81 ]} lo que permite su uso en aplicaciones electrónicas. Las impurezas de nitrógeno dificultan el movimiento de las dislocaciones de la red (defectos dentro de la estructura cristalina ) y someten la red a una tensión de compresión , aumentando así la dureza y la tenacidad . ^{[ 82 ]}

La conductividad térmica del diamante CVD varía desde decenas de W/m²K ^hasta más de 2000 W/m²K ^, dependiendo de los defectos y las estructuras de los límites de grano. [ ^{83 ] A} medida que el diamante crece en CVD, los granos crecen con el espesor de la película, lo que genera un gradiente de conductividad térmica en la dirección del espesor de la película. ^{[ 83 ]}

A diferencia de la mayoría de los aislantes eléctricos, el diamante puro es un excelente conductor del calor debido a los fuertes enlaces covalentes dentro del cristal. La conductividad térmica del diamante puro es la más alta de cualquier sólido conocido. Monocristales de diamante sintético enriquecidos en ¹²C (99,9%), diamante isotópicamente puro , tiene la conductividad térmica más alta de cualquier material, 30 W/cm·K a temperatura ambiente, 7,5 veces mayor que la del cobre. La conductividad del diamante natural se reduce en un 1,1% por el ¹³C presente de forma natural, que actúa como una inhomogeneidad en la red. ^{[ 84 ]}

La conductividad térmica del diamante es aprovechada por joyeros y gemólogos que utilizan una sonda térmica electrónica para distinguir los diamantes de sus imitaciones. Estas sondas constan de un par de termistores alimentados por batería , montados en una fina punta de cobre. Un termistor funciona como dispositivo de calentamiento, mientras que el otro mide la temperatura de la punta de cobre: ​​si la piedra analizada es un diamante, conducirá la energía térmica de la punta con la suficiente rapidez como para producir una caída de temperatura medible. Esta prueba dura entre 2 y 3 segundos. ^{[ 85 ]}

La mayoría de las aplicaciones industriales del diamante sintético se han asociado durante mucho tiempo con su dureza; esta propiedad convierte al diamante en el material ideal para máquinas herramienta y herramientas de corte . Como el material natural más duro conocido, el diamante se puede utilizar para pulir, cortar o desgastar cualquier material, incluidos otros diamantes. Las aplicaciones industriales comunes de esta capacidad incluyen brocas y sierras con punta de diamante, y el uso de polvo de diamante como abrasivo . ^{[ 86 ]} Estas son, con mucho, las principales aplicaciones industriales del diamante sintético. Si bien el diamante natural también se utiliza para estos fines, el diamante sintético HPHT es más popular, principalmente debido a una mejor reproducibilidad de sus propiedades mecánicas. El diamante no es adecuado para el mecanizado de aleaciones ferrosas a altas velocidades, ya que el carbono es soluble en hierro a las altas temperaturas generadas por el mecanizado a alta velocidad, lo que provoca un desgaste mucho mayor en las herramientas de diamante en comparación con las alternativas. ^{[ 87 ]}

La forma habitual del diamante en las herramientas de corte consiste en granos de tamaño micrométrico dispersos en una matriz metálica (generalmente cobalto) sinterizada sobre la herramienta. En la industria, esto se conoce comúnmente como diamante policristalino (PCD). Las herramientas con punta de PCD se utilizan en minería y aplicaciones de corte. Durante los últimos quince años, se ha trabajado en el recubrimiento de herramientas metálicas con diamante CVD, y aunque este trabajo es prometedor, no ha reemplazado significativamente a las herramientas de PCD tradicionales. ^{[ 88 ]}

La mayoría de los materiales con alta conductividad térmica también son conductores eléctricos, como los metales. En cambio, el diamante sintético puro tiene alta conductividad térmica, pero una conductividad eléctrica insignificante. Esta combinación es invaluable para la electrónica, donde el diamante se utiliza como disipador de calor para diodos láser de alta potencia , matrices láser y transistores de alta potencia . La disipación eficiente del calor prolonga la vida útil de estos dispositivos electrónicos, y los altos costos de reemplazo de los dispositivos justifican el uso de disipadores de calor de diamante eficientes, aunque relativamente caros. ^{[ 89 ]} Además, esta combinación también es útil para aplicaciones de radiofrecuencia ( RF ) de alta potencia , como las microbobinas utilizadas para generar campos de RF fuertes y localizados. ^{[ 90 ]} En la tecnología de semiconductores, los disipadores de calor de diamante sintético evitan el sobrecalentamiento del silicio y otros dispositivos semiconductores. ^{[ 91 ]}

El diamante es duro, químicamente inerte y tiene una alta conductividad térmica y un bajo coeficiente de expansión térmica . Estas propiedades hacen que el diamante sea superior a cualquier otro material de ventana existente utilizado para transmitir radiación infrarroja y de microondas. Por lo tanto, el diamante sintético está comenzando a reemplazar al seleniuro de zinc como ventana de salida de láseres de _CO2 de alta potencia ^{[ 92 ]} y girotrones . Estas ventanas de diamante policristalino sintético tienen forma de discos de grandes diámetros (alrededor de 10  cm para girotrones) y pequeños espesores (para reducir la absorción) y solo se pueden producir con la técnica CVD. ^{[ 93 ] [ 94 ]} Las láminas monocristalinas de dimensiones de longitud de hasta aproximadamente 10  mm están adquiriendo cada vez más importancia en varias áreas de la óptica, incluidos los disipadores de calor dentro de las cavidades láser, la óptica difractiva y como medio de ganancia óptica en láseres Raman . ^{[ 95 ]} Los avances recientes en las técnicas de síntesis HPHT y CVD han mejorado la pureza y la perfección de la estructura cristalográfica del diamante monocristalino lo suficiente como para reemplazar al silicio como material de rejilla de difracción y ventana en fuentes de radiación de alta potencia, como los sincrotrones . ^{[ 96 ] [ 97 ]} Tanto los procesos CVD como HPHT también se utilizan para crear yunques de diamante ópticamente transparentes diseñados a medida como herramienta para medir las propiedades eléctricas y magnéticas de los materiales a presiones ultra altas utilizando una celda de yunque de diamante. ^{[ 98 ]}

El diamante sintético tiene usos potenciales como semiconductor , ^{[ 99 ]} porque puede ser dopado con impurezas como boro y fósforo . Dado que estos elementos contienen uno más o uno menos de electrones de valencia que el carbono, convierten el diamante sintético en semiconductores de tipo p o de tipo n . La creación de una unión ap-n mediante el dopaje secuencial de diamante sintético con boro y fósforo produce diodos emisores de luz ( LED ) que producen luz UV de 235  nm. ^{[ 100 ]} Otra propiedad útil del diamante sintético para la electrónica es la alta movilidad de portadores , que alcanza 4500 ^cm²  / (V·s) para electrones en diamante CVD monocristalino. ^{[ 101 ]} La alta movilidad es favorable para el funcionamiento de alta frecuencia y los transistores de efecto de campo hechos de diamante ya han demostrado un rendimiento prometedor de alta frecuencia por encima de 50 GHz. ^{[ 102 ] [ 103 ]} La amplia banda prohibida del diamante (5,5 eV) le confiere excelentes propiedades dieléctricas. Combinadas con la alta estabilidad mecánica del diamante, esas propiedades se están utilizando en prototipos de interruptores de alta potencia para centrales eléctricas. ^{[ 104 ]} 

Se han producido transistores de diamante sintético en el laboratorio. Estos conservan su funcionalidad a temperaturas mucho más elevadas que los dispositivos de silicio y son resistentes a los daños químicos y por radiación. Si bien aún no se han integrado con éxito transistores de diamante en dispositivos electrónicos comerciales, resultan prometedores para su uso en situaciones de potencia excepcionalmente alta y en entornos hostiles no oxidantes. ^{[ 105 ] [ 106 ]}

El diamante sintético ya se utiliza como dispositivo de detección de radiación . Es resistente a la radiación y tiene una banda prohibida ancha de 5,5 eV (a temperatura ambiente). El diamante también se distingue de la mayoría de los demás semiconductores por la falta de un óxido nativo estable. Esto dificulta la fabricación de dispositivos MOS de superficie, pero crea el potencial para que la radiación UV acceda al semiconductor activo sin absorción en una capa superficial. Debido a estas propiedades, se emplea en aplicaciones como el detector BaBar en el Acelerador Lineal de Stanford ^{[ 107 ]} y BOLD (Blind to the Optical Light Detectors for VUV solar observations). ^{[ 108 ] [ 109 ]} Recientemente se utilizó un detector VUV de diamante en el programa europeo LYRA .

El diamante CVD conductor es un electrodo útil en muchas circunstancias. ^{[ 110 ]} Se han desarrollado métodos fotoquímicos para unir covalentemente ADN a la superficie de películas de diamante policristalino producidas mediante CVD. Estas películas modificadas con ADN pueden utilizarse para detectar diversas biomoléculas , que interactuarían con el ADN, cambiando así la conductividad eléctrica de la película de diamante. ^{[ 111 ]} Además, los diamantes pueden utilizarse para detectar reacciones redox que normalmente no se pueden estudiar y, en algunos casos, degradar contaminantes orgánicos redox-reactivos en el suministro de agua. Debido a que el diamante es mecánica y químicamente estable, puede utilizarse como electrodo en condiciones que destruirían los materiales tradicionales. Como electrodo, el diamante sintético puede utilizarse en el tratamiento de aguas residuales de efluentes orgánicos ^{[ 112 ]} y en la producción de oxidantes fuertes. ^{[ 113 ]}

Alrededor de 2016, el precio de las gemas de diamantes sintéticos (por ejemplo, piedras de 1 quilate) comenzó a caer "precipitadamente", en aproximadamente un 30% en un año, llegando a ser claramente inferior al de los diamantes extraídos de minas. ^{[ 125 ]} En abril de 2022, CNN Business informó que un diamante redondo sintético de un quilate comúnmente utilizado en anillos de compromiso era hasta un 73% más barato que un diamante natural con las mismas características, y que el número de anillos de compromiso con un diamante sintético o cultivado en laboratorio había aumentado un 63% en comparación con el año anterior, mientras que los vendidos con un diamante natural disminuyeron un 25% en el mismo período. ^{[ 126 ]} A principios de 2025, los diamantes cultivados en laboratorio habían caído de precio un 74% desde 2020, y se esperaba que los precios continuaran disminuyendo. La caída se atribuyó en gran medida a la mejora en la velocidad de crecimiento de los diamantes en laboratorio, que pasó de semanas a horas. ^{[ 127 ]}

Los diamantes de calidad gema cultivados en laboratorio pueden ser química, física y ópticamente idénticos a los que se encuentran en la naturaleza. La industria del diamante extraído ha emprendido contramedidas legales, de marketing y de distribución para intentar proteger su mercado de la creciente presencia de diamantes sintéticos, incluyendo la fijación de precios . ^{[ 128 ] [ 129 ]} Los diamantes sintéticos se pueden distinguir mediante espectroscopia en longitudes de onda infrarrojas , ultravioletas o de rayos X. El probador DiamondView de De Beers utiliza fluorescencia UV para detectar impurezas traza de nitrógeno, níquel u otros metales en diamantes HPHT o CVD. ^{[ 130 ] [ 131 ]} Hay muchos otros instrumentos de prueba disponibles. ^{[ 132 ]}

Los laboratorios de certificación de diamantes están equipados con instrumentos que pueden distinguir con fiabilidad los diamantes cultivados en laboratorio de los naturales. Varios laboratorios, entre ellos el Instituto Gemológico de América (GIA), el Instituto Gemológico Internacional (IGI) y Gemological Science International (GSI), graban con láser en el cinturón de cada diamante cultivado en laboratorio que certifican su número de informe y una indicación de que el diamante es cultivado en laboratorio. La inscripción es invisible a simple vista, pero se puede ver con un aumento de 10x. ^{[ 133 ]}

En mayo de 2018, De Beers anunció que presentaría una nueva marca de joyería llamada "Lightbox" que presenta diamantes sintéticos, lo cual fue notable ya que la compañía era la minera de diamantes más grande del mundo y anteriormente había sido una crítica abierta de los diamantes sintéticos. ^{[ 134 ]} En julio de 2018, la Comisión Federal de Comercio de EE. UU . (FTC) aprobó una revisión sustancial de sus Guías de Joyería, con cambios que imponen nuevas reglas sobre cómo el comercio puede describir los diamantes y los simulantes de diamantes . ^{[ 135 ]} Las directrices revisadas eran sustancialmente contrarias a lo que había sido defendido en 2016 por De Beers. ^{[ 134 ] [ 136 ] [ 137 ]} Las nuevas directrices eliminan la palabra "natural" de la definición de "diamante", incluyendo así los diamantes cultivados en laboratorio dentro del alcance de la definición de "diamante". La guía revisada afirma además que "Si un vendedor utiliza el término 'sintético' para implicar que el diamante cultivado en laboratorio de un competidor no es un diamante real, ... esto sería engañoso". ^{[ 138 ] [ 136 ]} Según las nuevas directrices de la FTC, el GIA eliminó la palabra "sintético" de su proceso de certificación e informe para diamantes cultivados en laboratorio en julio de 2019. ^{[ 139 ]}

La minería tradicional de diamantes ha provocado abusos contra los derechos humanos en varios países de África y otros países productores de diamantes. ^{[ 140 ]} La película de Hollywood de 2006, Diamante de sangre, contribuyó a visibilizar el problema. La demanda de diamantes sintéticos ha ido en aumento, ya que los consumidores buscan piedras más económicas y éticas. ^{[ 141 ]}

El primer anillo que se puede usar, creado a partir de un bloque de diamante sintético, fue diseñado en 2018 por Sir Jony Ive, exdirector de diseño de Apple, y el diseñador industrial Marc Newson . El proyecto evitó las tradicionales alianzas metálicas cultivando un diamante CVD monocristalino y luego creando 2000 facetas y utilizando un chorro de agua para ahuecar el núcleo. El anillo fue subastado, recaudando 461 250 dólares para el Fondo Global (RED) para la lucha contra el SIDA. ^{[ 142 ] [ 143 ] [ 144 ]}

En 2023, la casa de lujo parisina Fred Jewellery , filial de LVMH , presentó un diamante azul suelto de 8,88 quilates junto con cuatro piedras de acento de 0,50 quilates, denominado "Fred Audacious Blue". Fue la primera vez que una joyería de lujo europea incorporó piedras cultivadas en laboratorio a una colección insignia. Cultivados mediante CVD durante un proceso de estabilización del color de 18 meses, los diamantes recibieron una calificación GIA de "azul verdoso intenso y vibrante". ^{[ 145 ] [ 146 ] [ 147 ]}

El diamante «Celebración de la India» era el diamante cultivado en laboratorio facetado más grande de la época, con 75,33 quilates. El cristal requirió aproximadamente 270 días para crecer dentro de un reactor de plasma CVD hasta convertirse en una piedra en bruto de 190 quilates, seguidos de 30 días adicionales de corte y pulido. La piedra conmemoraba los 75 años de independencia de la India. ^{[ 148 ]}

Presentado simultáneamente con la Celebración de la India en 2024, el "Anillo Infinito" es un anillo macizo de 30,69 quilates tallado completamente a partir de un único cristal de diamante continuo cultivado en laboratorio. La pieza se originó a partir de un bloque de diamante en bruto de 98,88 quilates. El cristal en bruto requirió aproximadamente 146 días de crecimiento controlado en laboratorio, seguidos de 90 días de esculpido para ahuecar y dar forma a la banda modificada de forma libre. Es una de las formas de diamante macizo de varios quilates más complejas estructuralmente jamás talladas. ^{[ 149 ]}