Hard poeder

PINDAKAAS. Dat gebruikte Robert Wentorf in december 1955 om diamanten te maken. Samen met zijn collega's van General Electric was hij daar een paar maanden eerder al in geslaagd, maar toen gebruikten ze grafiet. Met de pindakaasproef wilde hij alleen maar laten zien dat het niet uitmaakte waar je mee begon, zolang er maar koolstofatomen in zaten: door hard te drukken, tot zo'n vijftigduizend atmosfeer, en tegelijk te verhitten, boven de 1000 graden Celsius, worden de omstandigheden die in het binnenste van de aarde heersen nagebootst en verandert ieder organisch materiaal in diamant. Nog altijd passen bedrijven als De Beers en General Electric deze zelfde (kostbare) methode op grote schaal toe bij het maken van synthetische diamant.

Als het aan een groep Russische en Belgische natuurkundigen ligt, kan het in de toekomst allemaal veel eenvoudiger (Nature, 11 nov). Zo is er straks geen hoge druk meer nodig, maar ontstaan de diamanten juist in een vacuüm. Uitgangspunt daarvoor vormen twee staven zeer zuiver grafiet, die met hun scherpgeslepen punten vlak tegen elkaar aan worden gezet. Als daar dan een stroomstoot doorheen wordt gevoerd, loopt de temperatuur sterk op. Zo ontstaat er een geconcentreerde koolstofdamp, waarin met grote snelheid diamantjes beginnen te groeien. Die hoeven vervolgens alleen maar op een koele ondergrond te worden opgevangen. De grootste hebben een diameter van ongeveer een tiende millimeter, maar de onderzoekers zien mogelijkheden om dat nog te verbeteren.

Daarmee zou een breed scala van toepassingen worden geopend. Diamant geleidt warmte beter dan enig ander materiaal, en wordt daarom toegepast in elektronische schakelingen om warmte af te voeren. Diamant zet daarbij nauwelijks uit. Verder kan het als halfgeleider in de elektronische schakelingen worden toegepast en is het ook bij uitstek geschikt in optische toepassingen. Maar het meest wordt het toegepast als schuur- of slijpmiddel en in allerlei snijgereedschap, als bijtels en zagen. Het is namelijk het hardste materiaal dat er bestaat: een coating van diamant vormt een slijtvaste beschermlaag.

TRANSMUTATIE

Het probleem van zo'n diamanten coating is dat hij niet optimaal hecht aan een stalen ondergrond. Sinds twee jaar wordt daar in het kader van een STW-project aan de Katholieke Universiteit van Nijmegen onderzoek naar gedaan. In de groep van professor Ter Meulen wordt onder leiding van Frank van Bouwelen geprobeerd om een gladde diamantcoating op staal aan te brengen. Het groeien van zo'n laag, waarin de afzonderlijke diamantjes als het ware met elkaar zijn versmolten, is niet echt een probleem meer. Niet sinds Japanse onderzoekers er in de jaren tachtig in slaagden om bij lage druk dunne lagen diamant te synthetiseren. Anderen waren hen weliswaar voorgegaan, maar hun artikelen waren met veel skepsis onthaald. Vorming van diamant bij lage druk werd namelijk gelijkgesteld aan de transmutatie van lood in goud. Diamant en grafiet zijn beide vormen van koolstof, maar met een andere kristalstructuur. En diamant is bij lage druk instabiel ten opzichte van grafiet. Zodra het zich vormt, zou het onmiddellijk weer moeten worden omgezet in grafiet. Alleen onder heel speciale omstandigheden kan het in een zogenaamde metastabiele toestand worden verkregen. Van Bouwelen: ``Wij gaan uit van een of andere gasvormige koolwaterstof, bijvoorbeeld aardgas. Wanneer dat in aanwezigheid van waterstof langs een hete gloeidraad wordt geleid, vallen de moleculen uiteen en ontstaan er reactieve koolstofradicalen. Op een vaste drager vormen die diamant.'' Het waterstof speelt hierbij een belangrijke rol, omdat het eventueel gelijktijdig gevormd grafiet wegetst. Een alternatieve methode maakt gebruik van een lasvlam waarin acetyleen reageert met zuurstof. Ook hierbij kan op een ondergelegen substraat een diamantlaagje worden gevormd. De moeilijkheden beginnen pas nadat het laagje is gevormd. Van Bouwelen: ``Het ijzer zet het diamant aan de onderkant namelijk weer om in grafiet en bovendien krimpen staal en diamant heel verschillend als de temperatuur daalt. Daardoor ontstaan spanningen en laten de laagjes los.''

Voor het Nijmeegse onderzoek vormen de recente resultaten uit Nature geen aanleiding om het roer om te gooien. Van Bouwelen: ``Het is een snelle en verbluffend simpele methode om diamantpoeder te synthetiseren. Wetenschappelijk gezien is het achterhalen van het groeimechanisme een uitdaging. Zo op het eerste gezicht zijn de experimenten een bevestiging voor een in de literatuur voorgesteld model, dat tot nu toe nauwelijks serieus werd genomen. Maar voor ons speelt dat niet. Onze diamantlaagjes groeien volgens een ander mechanisme.''

Het project heeft nog meer dan twee jaar te gaan, maar er is al een behoorlijke vooruitgang geboekt. Zo werd bijvoorbeeld een materiaal gevonden dat als tussenlaag zou kunnen dienen om de spanning tussen staal en diamant op te vangen. Het is geen wonder dat de interesse vanuit de industrie groot is. Diamanten coatings slijten nauwelijks, ze zijn hittebestendig én chemisch resistent en vertonen nauwelijks wrijving. Als veelbelovende toepassing van de diamantcoatings noemt Van Bouwelen mechanische afdichtingen. Die worden veelvuldig toegepast in de (petro)chemische industrie, de voedingsmiddelenindustrie en in de scheep- en luchtvaart. Maar ook de markt voor diamantpoeder en losse diamanten is enorm. Van Bouwelen: ``Het wordt daarom uiterst interessant om te zien hoe de diamantgiganten op de nu in België ontwikkelde methode gaan reageren.''

    • Rob van den Berg