La crescita dei diamanti a bassa pressione è mostrata in questemicrofotografie elettroniche. In alto, un piccolo cristallo didiamante fotografato prima del processo di crescita. In basso,

la stessa faccia dopo essere stata esposta per molte ore in ungas ricco di carbonio a pressione inferiore a 1 atm e a 1050 C.Il tasso di crescita ha oscillato da 0,01 a 0,1 micrometri per ora.

Q

uando, nel 1797, il chimico ingle-se Smithson Tennant dimostròche il diamante è una forma del

carbonio (il diamante e la grafite sono leuniche forme cristalline del carbonio),diede l'avvio a una nuova branca dell'al-chimia nella quale ci si proponeva dicreare il diamante dalla grafite o daqualche altro composto del carbonio. Ilproblema era di raggiungere le condizio-ni di alta pressione e temperatura sotto icui effetti si formano nelle profonditàdella Terra i diamanti naturali. Dopomolti tentativi di parecchi scienziati, l'o-biettivo fu raggiunto nel 1955 da ungruppo di sperimentatori della GeneraiElectric Company.

La pressione richiesta è dell'ordine di55 000 atmosfere alla temperatura di cir-ca 2000 gradi centigradi. Bisogna peròmantenere queste condizioni per un con-siderevole periodo di tempo. Dopo il1955 alcuni ricercatori, tra cui i membridel nostro gruppo dell'Istituto di chimicafisica di Mosca, iniziarono ad analizzarele possibilità di sintetizzare i diamanti abassa pressione. Noi ora abbiamo messoa punto metodi che consentono di in-grandire un piccolo cristallo di diamanteponendolo in un gas ricco di carboniosottoposto a una pressione minore di untorr (0,001 atmosfere).

Il diamante è il materiale più duroesistente sulla Terra, mentre la grafite sisfalda tanto facilmente da venir usataprincipalmente come lubrificante. Que-sta diversità di comportamento derivadalla differente struttura cristallina deidue materiali (si vedano le illustrazionialle pagine 68 e 69).

La struttura cristallina del diamante ècubica. L'atomo di carbonio al centrodel cubo è circondato simmetricamenteda altri quattro atomi di carbonio, postialla stessa distanza e ordinati agli angolisecondo un tetraedro regolare. La pecu-liare durezza del diamante deriva dallaforza dei legami carbonio-carbonio e dal-

la disposizione simmetrica degli atomi.La grafite ha un reticolo a strati, dei

quali ognuno è formato da esagoni aven-ti atomi di carbonio disposti agli angoli.In ogni strato l'ordine atomico non èmolto differente da quello del diamante,ma gli strati sono molto spaziati e i lega-mi fra atomi di due strati viciniori sonodeboli. La grafite viene usata come lu-brificante perché gli strati possono scivo-lare l'uno sull'altro sotto l'applicazionedi deboli forze meccaniche.

D'altra parte i forti legami fra gliatomi di uno stesso strato impartisconoalla grafite un'alta resistenza alla trazio-ne nella direzione dello strato. È perquesta ragione che «laminette», o cri-stalli filiformi, di grafite hanno unanotevole resistenza alla trazione.

La sintesi dei diamanti si basa su questedifferenze del reticolo atomico, ma

tutto ciò non era a conoscenza dei primiricercatori. L'effettiva storia della sintesiinizia nei secoli XVII e XVIII con i ten-tativi volti a determinare la natura deldiamante. Nel 1675 Isaac Newton, con-frontando la rifrazione della luce attra-verso il diamante con quella ottenuta at-traverso certi fluidi combustibili, conclu-se che il diamante doveva essere infiam-mabile. Robert Boyle confermò i risulta-ti di Newton dimostrando che il diaman-te veniva alterato dalla fiamma. Sonoconsiderati classici i pubblici esperimen-ti, tenuti nel 1694 presso l'Accademia delCimento, nei quali il diamante venivabruciato dalla luce focalizzata da unagrossa lente convessa. Antoine LaurentLavoisier, studiando i prodotti di com-bustione del diamante, scoprì, nel 1772,che intorbidivano l'acqua di calce limpi-da: un test indicativo della formazione dianidride carbonica.

Tennant riuscì a dimostrare che il car-bonio era l'unico elemento della compo-sizione chimica del diamante bruciandoun diamante in un recipiente d'oro,

a chiusura ermetica e saturo di ossi-geno. La combustione formò anidridecarbonica il cui contenuto di carbonioera esattamente pari al peso del diaman-te bruciato. Due anni dopo, anche ifrancesi Jean-Francois Clouet e H. Guill-ton giunsero alla conclusione Che il dia-mante era carbonio puro. Costoro com-provarono le loro ipotesi bruciando fer-ro puro insieme al diamante, producen-do così ottimo acciaio. Il carbonio è in-fatti un componente essenziale dell'ac-ciaio; il loro ferro puro, perciò, potevaformare acciaio solo acquistando carbo-nio dal diamante che si alterava. Tral'altro, nello stesso anno (1799) Guilltonscoprì che anche la grafite è carboniopuro.

I primi esperimenti tesi alla realizza-zione di diamanti artificiali furono effet-tuati nel XIX secolo. È infatti datata1823 la prima sintesi, ottenuta da V.Karazin, fondatore dell'Università diKharkov, di cristalli di una sostanzatraslucida che aveva una alta percentualedi carbonio e l'ideatore della tavola pe-riodica degli elementi, Dmitrij IvanovicMendeleev, osservandoli li giudicò similial diamante. Sei anni più tardi CharlesCagniard de la Tour eseguì in Franciauna serie di esperimenti che praticamenteripetevano il lavoro di Karazin.

Nel 1880, lo sperimentatore scozzeseJames B. Hannay dichiarò di aver sinte-tizzato diamanti riscaldando una misceladi idrocarburi, «olio d'ossa» e litio, intubi ermeticamente chiusi di ferro battu-to fino ad arroventarli. Per la veritàscoppiarono 77 tubi su 80. Altri tentaro-no più tardi di ottenere diamanti nellastessa maniera, ma furono per lo piùesperienze negative che indussero ad ab-bandonare questa teoria fino al 1943quando una piccola raccolta di «pietre»,etichettata «Diamanti di Hannay», futrovata in un angolo dimenticato delBritish Museum. F. A. Bannister e Ka-thleen Lonsdale studiarono gli oggetti ai

La sintesi del diamantea bassa pressione

Anche se i diamanti naturali e la maggior parte di quelli artificialisi formano ad alta pressione, è possibile sintetizzarli a bassa pressionefacendo accrescere cristalli preesistenti in un gas ricco di carbonio

di B. V. Derjaguin e D. B. Fedoseev

66

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• •,ch, :ma.*/* • •p•

raggi X e conclusero che si trattava didiamanti, anche se non si riuscì mai adeterminare se la loro provenienza eranaturale o artificiale.

Un altro sperimentatore, che asserì diaver ottenuto diamanti, fu il chimicofrancese Henri Moissan, l'inventore delforno ad arco. In questo forno, riscaldòun crogiolo riempito con pezzi di ferrosaturi di carbonio, portandoli a 3000gradi centigradi, dopo di che immerse ilcrogiolo in acqua fredda. Si installò su-bito, all'interno della massa, una fortepressione dovuta alla formazione, tut-t'intorno, di unaNcrosta solida. QuandoMoissan dissolse un lingotto raffreddatonell'acido, scoprì alcuni grani che nonerano stati intaccati ed erano in grado discalfire il rubino. La densità di questigrani si avvicinava a quella del diamante(3,51 grammi per centimetro cubo con-tro i 2,25 per la grafite) e, bruciandoli,formavano anidride carbonica. Nel 1893,Moissan dichiarò che i suoi grani eranodiamanti. Anche gli sperimentatori chelo seguirono pensarono di aver ottenutodiamanti con metodi simili, ma è opinio-ne comune, ora, che la pressione, stabili-tasi in quelle esperienze, non potevaessere sufficiente a formare i diamanti, e

ciò che si era prodotto doveva probabil-mente essere qualche varietà di spinello.

Sempre nel 1893, K. Krushchev, do-cente di mineralogia all'Accademia medi-ca di Pietroburgo, produsse, indipenden-temente dal lavoro di Moissan, cristallitraslucidi ottenuti dalla cristallizzazionedel carbonio in argento fuso. Questi cri-stalli graffiavano il corindone, il mate-riale che si trova al secondo posto dellascala di durezza dopo il diamante, e,bruciandoli, formavano anidride carbo-nica. Ciononostante, gli studi condotti inquesti ultimi anni hanno dimostrato che icristalli così ottenuti non potevano esserediamanti.

Tutti i tentativi sinora descritti, eranopartiti da soluzioni di carbonio.

Probabilmente il primo tentativo con ungas ricco di carbonio fu eseguito nel1911 da W. Bowlton che cercò di co-struire singoli cristalli di diamante par-tendo dal gas illuminante, ma l'esperi-mento fallì. A fianco di questi studi, ci sisforzò anche di definire teoricamente lecondizioni per trasformare la grafite indiamante. Il problema fu intuito conmolto successo da C. I. Leipunskii, del-l'Istituto di fisica chimica dell'Accade-

mia delle scienze dell'URSS, che mostròcome tutti gli esperimenti precedenti era-no stati eseguiti in condizioni di pressionee di temperatura che rientrano nel cam-po di stabilità della grafite. La conver-sione della grafite in diamante richiedeinnanzitutto che la grafite sia sottopostaa una pressione di 55 000 atmosfere e, insecondo luogo, a un preriscaldamentofino a 2000 gradi centigradi: in questecondizioni, per lo meno una parte digrafite si trasformerà in . diamante.

Il raggiungimento di queste condizioniper la fabbricazione dei diamanti richiesela soluzione di difficili problemi di inge-gneria per ottenere pressioni e tempera-ture alte, simultaneamente e nello stessoimpianto. I tentativi richiesero l'uso dispeciali materiali per le strutture e conti-nue misurazioni. Il gruppo della GeneralElectric, che per primo riuscì a raggiun-gere le condizioni appropriate, compren-deva Francis P. Bundy, H. Tracy Hall,Herbert M. Strong e Robert Wentorf (siveda l'articolo I materiali extraduri diFrancis P. Bundy, in «Le Scienze» n. 76,dicembre 1974). Più o meno nello stessoperiodo furono costruiti diamanti artifi-ciali in Svezia e, poco dopo, in Inghilter-ra e in altri paesi.

In Russia i diamanti furono sintetizza-ti da un gruppo di ricercatori sotto la di-rezione di L. F. Vereshchagin dell'Istitu-to di fisica delle alte pressioni dell'Acca-demia delle scienze. Anche il gruppodiretto da V. Bakul, presso l'Istituto deimateriali extraduri di Kiev, diede impor-tanti contributi allo sviluppo della tecni-ca di sintesi dei diamanti e dei processiindustriali per la loro produzione. Inuovi materiali extraduri, la kubonite elo slavutich, realizzati in laboratorio daquesto gruppo, sotto alcuni punti divista non sono affatto inferiori al dia-mante.

Senza dubbio, la stessa composizionechimica della grafite e del diamante

suggerì di trasformare la grafite in dia-mante sottoponendo la prima ad altapressione e costringendo così gli atomidel carbonio nel reticolo più denso, ca-ratteristico del diamante. Se, dunque, gliatomi di carbonio devono spostarsi dalreticolo della grafite a quello del dia-mante necessitano di una maggior mobi-lità che viene loro fornita da un aumentodi temperatura.

Le varie condizioni termodinamichealle quali la grafite può essere trasforma-

ta in diamante, possono essere tracciate,in un riferimento cartesiano, con unacurva di equilibrio che separi i due statidel carbonio (si veda l'illustrazione a pa-gina 71). Per ogni data temperatura, sipotrà ovviamente trasformare la grafitein diamante, portando la pressione al disopra, anche di poco, di quella di equili-brio, mentre, a ogni pressione al di sottodell'equilibrio, il diamante ottenuto dal-la grafite è metastabile, cosicché ritornagrafite.

La situazione naturalmente cambia • sesi considera la possibilità di accrescimen-to di un cristallo di diamante che sia giàdisponibile. Il diamante può accrescersialle temperature e alle pressioni del suocampo di metastabilità, purché vengastabilito al suo intorno, con un metodoappropriato, un ambiente di atomi dicarbonio. Questo accrescimento può es-sere attribuito alla maggior concentra-zione degli atomi di carbonio adiacentialla superficie del diamante rispetto allaconcentrazione di atomi con la quale ildiamante può stare in equilibrio a unadata temperatura. In altre parole, gliatomi di carbonio devono stare al disopra della concentrazione satura. Il car-bonio evaporato dalla grafite portata ad

alte temperature e quello disciolto inmetalli fusi sono esempi di metodi perottenere la concentrazione necessaria.

Una concentrazione supersatura di a-tomi di carbonio attorno al diamantepuò anche essere ottenuta con un gasricco di carbonio. Se le molecole del gaspossono decomporsi alla temperatura delvivaio di diamanti, dando atomi di car-bonio, allora, a una certa densità di gas,la concentrazione degli atomi di carbo-nio potrebbe raggiungere il livello di sa-turazione. Sottostando alle predette con-dizioni, un cristallo di diamante potreb-be accrescersi.

kaffrontato con un processo utilizzan-te la grafite come fonte degli atomi dicarbonio, il metodo a gas si presenta piùvantaggioso in quanto non richiede ilmantenimento di una temperatura moltopiù elevata di quella necessaria all'accre-scimento del diamante. Il metodo a gas èalla base di un metodo per accrescere icristalli di diamanti che fu scoperto nel1956 da uno di noi (Derjaguin) e da B.V. Spitsyn. Un metodo analogo, descrit-to in un brevetto statunitense, è stato ot-tenuto da William G. Eversole dellaLinde Division della Union Carbide Cor-poration nel 1958.

Il reticolo del diamante, che è una delle due forme cristallinedel carbonio (l'altra è la grafite), è formato da infinite ripe-tizioni di tetraedri di atomi di carbonio (cerchi). La strutturacristallina è qui rappresentata come se l'osservatore si trovas-

se nel suo interno. Ogni atomo di carbonio sta al centro di untetraedro regolare ai cui vertici sono disposti i quattro atomipiù vicini. Gli atomi sono uniti da legami covalenti la cui forzae simmetria determinano la eccezionale durezza del diamante.

Il reticolo della grafite si estende planarmente con atomi dicarbonio ordinati in esagoni. All'interno dei piani la grafite èpiù dura del diamante, ma i legami tra i piani sono deboli.Questa proprietà spiega l'utilità della grafite come lubrificante:

i piani, debolmente legati, scivolano facilmente l'uno sull'al-tro. La sintesi del diamante consiste nel trasformare la strutturacristallina della grafite in quella del diamante oppure nell'ac-crescere il diamante a partire dal diamante senza formare grafite.

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69

70

so

50

30

20

10

Uno whisker di diamante, ossia un singolo cristallo filiforme (1,5 nim), cresciuto su unafaccia di diamante in 90 minuti con il metodo a radiazione pulsata ideato dagli autori.

Cristallo rotondo anch'esso cresciuto con il processo a bassa pressione messo a puntodagli autori. Il cristallo, ben visibile al centro, ha un diametro di 120 micrometri.

Nel nostro metodo, le facce del dia-mante vengono ingrandite in una atmo-sfera di tetraioduro di carbonio a unatemperatura di 1000 gradi centigradi.Nel metodo di Eversole, invece, la cre-scita della polvere di diamante vieneottenuta principalmente tramite il con-tatto con idrocarburi come il metano. Inentrambi i metodi, le molecole dei gas,urtando contro la superficie riscaldatadel diamante, si decompongono emet-tendo atomi di carbonio.

Poiché la concentrazione di atomi dicarbonio che può stare in equilibrio conla grafite è più bassa di quella che puòstare in equilibrio con il diamante (di unfattore 2 a circa 1000 gradi centigradi), èsempre possibile che, nel metodo a gas,la grafite possa accrescersi contempora-neamente al diamante. I nuclei di grafitesi formano facilmente nel gas e tendonoad accettare gli atomi di carbonio piùvelocemente di quanto non faccia il dia-mante; da ciò deriva la necessità di arre-stare periodicamente il processo di accre-scimento del diamante per poter rimuo-vere la grafite con mezzi chimici.

Esiste una fondamentale differenza trala crescita della grafite sulla superficiedel diamante e la crescita del diamante.Quest'ultimo procede come estensionedel reticolo cristallino; è possibile imma-ginare questo accrescimento come la con-tinuazione dell'opera di «muratura» dal-la quale si era formato il nucleo del cri-stallo. Per quanto riguarda invece la gra-fite che si forma sui diamante, i cristallidevono disporsi in un modello moltodifferente da quello del diamante sotto-stante. Il processo, perciò, è intrinseca-mente meno probabile della crescita delcristallo di diamante e questa improbabi-lità tende di conseguenza a limitare lacrescita della grafite sul diamante. (Que-sto genere di limitazione è caratteristicodella formazione di ogni nuova fase cosìcome la formazione di un gas da un li-quido, di un solido da un gas o da unliquido o di un cristallo da un altro gene-re di cristallo.)

Parecchi ricercatori hanno sviluppatouna teoria che dà una spiegazione delperché gli atomi del carbonio, accumula-tisi sulla superficie del diamante, conti-nuino la struttura cristallina piuttostoche formare grafite. Ciononostante, se lacrescita del diamante fosse protratta permolte ore, i cristalli di grafite si accumu-lerebbero sulla superficie del diamante eprobabilmente potrebbero ricoprirlo finoad arrestarne la crescita; in altre parole,il rifornimento di materiale da costruzio-ne sarebbe così veloce che impedirebbeagli atomi l'assunzione della configura-zione del reticolo sottostante.

Esistono vari metodi per evitare la ri-copertura di grafite. Il metodo delineatonel brevetto Eversole prevede l'arresto

periodico della crescita per trasferire ilmateriale in un'autoclave contenente unaatmosfera idrogenata, alla temperaturadi 1000 gradi centigradi e pressurizzatafra 50 e 200 atmosfere, per rimuovere lagrafite che reagisce con l'idrogeno piùrapidamente di quanto non faccia il car-bonio adamantino. Alla fine dell'opera-zione, la grafite è stata rimossa, purifi-cando il cristallo di diamante che è cosìpronto per un successivo accrescimentouna volta reintrodotto nell'ambiente sa-turo di carbonio.

Il nostro gruppo ha approntato un si-stema più efficiente che non richiede altepressioni: ossidiamo infatti la grafite conl'ossigeno dell'aria alla pressione atmo-sferica. L'intero processo di accrescimen-to del diamante dal gas consiste nellosviluppo simultaneo del diamante e dellagrafite seguito dalla rimozione di que-st'ultima per ossidazione. L'utilizzazionedell'aria per rimuovere la grafite ci per-mette di compiere entrambe le operazio-ni, accrescimento e rimozione, nel mede-simo reattore.

N ello studio dell'accrescimento del dia-mante in un gas ricco di carbonio, è

vantaggioso lavorare cori il nucleo delcristallo sotto- forma di polvere perchéquesta ha una superficie specifica moltogrande, cioè, in ultima analisi, una su-perficie abbastanza estesa per unità dipeso del materiale. Molti degli esperi-menti che abbiamo condotto sulla cineti-ca della sintesi del diamante sono statieseguiti per questo motivo con polveredalla dimensione per particella di circaun micrometro (a queste dimensioni, lapolvere ha una superficie specifica diqualche metro quadrato per grammo).Noi pesiamo il materiale direttamentedurante entrambe le fasi di accrescimen-to e raffinazione, cosicché possiamo direin ogni momento cosa stia succedendoalla massa in esame.

Un reattore verticale di quarzo è ilprincipale componente di un tipico im-pianto per i nostri esperimenti. Il reatto-re è riscaldato da un forno speciale a unatemperatura di 1100 gradi centigradi enel suo interno viene posto un contenito-re di quarzo contenente una data quanti-tà di polvere di diamante. Il contenitoreè sospeso per 'mezzo di un filo sottile diquarzo collegato a una spirale, pure diquarzo. Una variazione nell'estensionedella spirale rivela una variazione nelpeso della polvere di diamante.

Il reattore viene svuotato e vi vienepompato metano. Simultaneamente vie-ne portata la temperatura del reattore aun valore stabilito. Dopo un periodo du-rante il quale le particelle di diamantecrescono, la temperatura viene abbassatae nel reattore viene immessa aria per ri-muovere la grafite che si è accumulata.

100

90

80

Successivamente viene ripreso il ciclo.I risultati di un ciclo tipico possono

essere riportati 'su un riferimento carte-siano (si veda l'illustrazione in alto allapagina successiva). In questo esperimen-to, le condizioni ideali di lavoro sonouna temperatura di 1020 gradi centigradie una pressione del metano di 0,07 torr.Al termine dell'esperimento, durato oltre4 ore, l'aumento di peso del diamanteraggiungeva il 2,7 per cento. Cinque cicliconsecutivi hanno aumentato il peso del-la polvere di diamante iniziale di circa il9,5 per cento.

Le misure dell'aumento in peso mo-strano che la percentuale di crescita delledimensioni medie della polvere è moltobassa e varia da alcuni angstrom adecine di angstriim. Se si aumentasse latemperatura o la concentrazione del gas,al fine di accrescere il tasso di aumento,si accelererebbe anche la formazione digrafite. Questo comporterebbe una ridu-zione del tempo utile, ossia il lasso ditempo prima di iniziare l'ossidazionedella grafite, e il processo diventerebbemeno efficiente da un punto di vistatecnico.

Un metodo per accelerare il processoconsiste nel far vibrare la polvere. In

questo modo tutte le particelle sonosospese nel gas cosicché ognuna di esseoffre più superficie al metano: questatecnica porta a un sostanziale migliora-mento della crescita del diamante.

Noi abbiamo sottoposto la polvere aparecchi esami per determinare la veranatura adamantina di quella che era cre-sciuta. L'analisi mediante diffrazione e-lettronica e raggi X ha dimostrato che ilnuovo materiale ha la struttura atomicadel diamante. Le analisi chimiche e fisi-che riguardanti la determinazione dellacomposizione chimica elementare, ladensità e grandezze simili hanno dimo-strato che il materiale era diamante.

Il nostro metodo di ottenere l'aumen-to di polvere di diamante ricorrendo al-l'ossidazione della grafite porta a unaumento considerevole del peso di dia-mante, in un ragionevole arco di tempo,nonostante che il tasso di crescita linearesia molto basso. Infatti, se si volesse in-grandire un cristallo di dimensioni mag-giori (per esempio di un centimetro didiametro) allo stesso tasso lineare, siimpiegherebbero non meno di dieci anniper raddoppiarne la massa. Fortunata-mente siamo stati in grado di mettere apunto alcuni processi in virtù dei quali

o500 1000 1500 2000

TEMPERATURA (KELVIN)

/I//

//

/

/////

/

///

//

/ ///

// ///

.

2500

3000

La curva di equilibrio rappresenta le condizioni di pressione e di temperatura alle qualila grafite può diventare diamante. L'area al di sotto della curva si riferisce alla grafite,quella al di sopra si riferisce al diamante. A ogni temperatura data la grafite puòessere trasformata in diamante a una pressione superiore a quella di equilibrio.

7071

1,2

0,9

0,6

0,3

Oo 100 200 300 400

TEMPO (MINUTI)

2015

3000

2500

1500

1000

500

10

TEMPO (ORE)

oo 5

È qui rappresentato un singolo ciclo di accrescimento ottenuto nell'impianto degliautori. Le condizioni all'interno dell'apparato erano una temperatura di 1020 °C e unapressione del metano di 0,07 torr. Durante le quattro ore del ciclo, l'aumento di pesodel diamante è stato del 2,7 per cento. Il punto nel quale la curva comincia a scendererappresenta l'attimo in cui è stata introdotta l'aria nel reattore per rimuovere la grafite.

L'accrescimento del diamante dopo cinque cicli consecutivi ammontava al 9,5 per centoin peso rispetto a quello della polvere di diamante con cui aveva avuto inizio l'esperi-mento. Mettendo a confronto i pu.nti in cui la curva ha andamento crescente si vedecome il tasso di crescita venga ristabilito ogni volta che la grafite viene rimossa.

grossi cristalli possono accrescersi contassi lineari molto più alti, senza unapprezzabile aumento di formazione digrafite. Uno di questi processi non diffe-risce, in linea di principio, dalle condi-zioni alle quali si accresce la polvere;cionondimeno, il tasso di crescita pergrossi cristalli può essere aumentato da0,01 a I micrometro per ora senza ar-rivare a produzioni eccessive di grafite.

Viene naturale chiedersi, a questo pun-to, come mai la polvere di diamante

non possa accrescersi con tassi linearicosì alti. Una spiegazione ci viene fornitadalla teoria della crescita dei cristalli. Laformazione iniziale di ogni nuovo stratosulla faccia del diamante richiede la for-mazione di un nucleo critico bidimensio-nale. La probabilità di formazione diuno di questi nuclei per unità di tempo èproporzionale all'area della superficie.L'intervallo di tempo medio che trascor-re tra la formazione di due nuclei è quin-di inversamente proporzionale all'areadella superficie. Per questi motivi, moltefacce di cristalli microscopici, come quel-li delle polveri, sono così piccole che tra-scorre un considerevole lasso di tempotra una nucleazione e la successiva, men-tre sopra facce più estese la probabilitàdi nucleazione di almeno un nucleo cheassicuri la deposizione di un nuovo stra-to è molto più alta.

La relazione non si può applicare in-definitamente. Quando l'area superficia-le di una faccia cristallina supera deter-minati limiti non potrà nemmeno esserericoperta fino a quando non apparirà unsecondo nucleo critico, oppure la rico-pertura sarà impedita perché la faccianon è perfettamente liscia, ma piuttostocomposta da terrazze divise da gradini.Una terrazza non sarà ricoperta fino ache non le si formi sopra un nuovonucleo critico, poiché lo strato di «mat-toni)> che si forma su una terrazza nonpuò salire o scendere facilmente i gradinie andare a depositarsi su terrazze vicine.Perciò il massimo tasso lineare di cresci-ta di una faccia sarà uguale alla spa-ziatura tra due strati adiacenti divisi daltempo medio che trascorre tra la for-mazione di due nuclei critici sulla stessaterrazza. L'estensione delle terrazze nonsolo varia per cristalli diversi e su faccediverse dello stesso cristallo, ma può va-riare anche con il tempo: può diminuireper esempio quando il cristallo sta accre-scendosi e, in questi casi, la crescitaviene rallentata.

L'ostacolo, rappresentato dalla grafi-te, alla crescita del diamante procede inmaniera abbastanza differente. La grafi-te forma nuclei tridimensionali che sonoin grado di accrescersi sia lateralmentesia in spessore. A differenza di quelli bi-dimensionali del diamante, i nuclei tridi-

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COME E DOVE VIVONOI FUNGHIdi U. Tosco

IL CAVALLO:ORIGINI, RAZZE, ATTITUDINIdi N. Lugli

UCCELLI TROPICALIdi J. A. Burton•

FLORA ALPINAdi U. Tosco

ANFIBI E RETTILIdi M. Burton

I FELINIdi G. Badino

PARCHI NAZIONALIdi J. P. Harroy, F. Tassi, F. Pratesie F. Pedrotti

IL MONDO DEGLI ALBERIdi H. L. Edlin e M. Nimmo

LE ISOLE DI CORALLOdi F. Quilici

UCCELLI RAPACIdi M. Everett

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mensionali della grafite non sono in gra-do di ricoprire una faccia con uno stratoa un solo atomo. Gli strati della grafitesi formano infatti uno sull'altro e con-temporaneamente si sviluppano ai bordi.Il tempo impiegato dai cristalli di grafiteper fermare o ritardare seriamente lacrescita del diamante non dipende dalladimensione dei cristalli di diamante enon diminuisce con la loro crescita. Que-sta è probabilmente la ragione per cuinegli esperimenti effettuati con cristallidi diamante più grossi (del diametro di 3o 4 millimetri) siamo riusciti a ottenereun tasso lineare di crescita più elevato diquello ottenuto con la polvere. Inoltre,con i cristalli di dimensioni maggiori nonabbiamo dovuto supersaturare il gas conatomi di carbonio fino ai livelli neces-sari per la polvere e questa saturazioneinferiore ha contribuito a ridurre la for-mazione di grafite.

pi ù recentemente abbiamo utilizzatoun regime di cristallizzazione a im-

pulsi per incrementare ancor più il tassolineare di crescita senza contemporanea-mente accelerare la formazione di grafi-te. Una parte di una faccia del diamanteviene riscaldata concentrando su di essale radiazioni provenienti da un tubo avuoto allo xeno ad alta pressione. Unavalvola interrompe periodicamente le ra-diazioni così che il calore arriva allafaccia sotto forma di impulsi. Durantel'impulso la zona attorno al diamante sisupersatura fortemente, il diamante cre-sce rapidamente, ma nello stesso temposi formano molti nuclei di grafite. Se gliimpulsi sono abbastanza brevi e i periodi«bui» tra un impulso e l'altro abba-stanza lunghi, i nuclei di grafite nonraggiungono dimensioni critiche e, per dipiù, durante questi periodi, quando latemperatura del diamante e la concentra-zione del gas attorno a esso diminuisco-no, i nuclei di grafite tendono a riforma-re metano. Con il regime a impulsi, iltasso lineare di crescita del diamante haraggiunto valori di alcuni micrometri al-l'ora.

In determinate occasioni, il metodo aimpulsi ha dato origine a whisker di dia-mante. Il tasso al quale gli whisker cre-scono in lunghezza è ragguardevole, rag-giungendo infatti valori superiori a mez-zo millimetro per ora. Gli whisker sonouna forma cristallina metastabile del car-bonio così che è sorprendente che si for-mino. Ancor più sorprendente è il fattoche quando cessano di crescere in lun-ghezza, comincino ad accrescersi in lar-ghezza; talvolta diventano sferici oppureassumono una forma che si avvicina aquella di un poliedro regolare. Gli whi-sker di diamante contribuiranno proba-bilmente in ' maniera significativa allasintesi del diamante su scala industriale.

STUDI BOMPIANI

Angelo BaraccaSilvio BergiaLa spirale .delle alte energie

Umberto EcoTrattatodi semioticagenerale

D'ArcoSilvio AvalleModelli semiologicinella Commediadi Dante

Christian MetzLa significazionenel cinema

DavidK.LewisLa convenzioneStudio filosoficoPrefazione di W. V.O.Quine

acura di

Leonard LinskyRiferimentoe modalitàLagrinWeesAl2P+11.1n1II,T. Parsons, Llinsicy, D.Kaplan,.J.Hintikka, A.Church

I problemi dicui la culturatradizionalenon si occupa.STUDI BOMPIANI

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