Semiconductor supremo: diamante industrial

Sep 12, 2023

El diamante industrial se considera el semiconductor supremo para reducir las pérdidas durante la transmisión de energía a largas distancias. Si el silicio es hoy la estrella de los semiconductores, el diamante podría reemplazarlo en las próximas décadas. Con capacidades electrónicas y térmicas superiores, este reemplazo brinda muchas posibilidades en transmisión de energía, biónica o aeronáutica, si su costo disminuye.

Una de las mayores dificultades de las tecnologías de transición energética es su alto costo, especialmente debido al uso de materiales y metales raros. En este contexto, el uso de diamantes, un material demasiado caro, podría considerarse prohibitivo. Sin embargo, esta es la opinión de Étienne Gheeraert, coordinador del proyecto europeo GreenDiamond.

Objeto del proyecto: sustitución de semiconductores a base de silicio de un convertidor, por un diamante, para reducir las pérdidas de energía en la transmisión de potencia desde parques eólicos marinos.

"La idea del proyecto europeo GreenDiamond es reducir al máximo las pérdidas de energía", dice Étienne Gheeraert. Para aplicaciones de electrónica de potencia, uno de los factores más importantes es el campo de ruptura del material. En el caso del silicio, equivale a 300.000 V/cm, que es bastante bajo. Sin embargo, en el caso del diamante, el campo de ruptura es de 10 MV/cm.

Para soportar un voltaje de 1000 V, un convertidor necesitaría una capa de 100 micras, lo que genera una resistencia significativa, en comparación con 1 micra para el diamante. Con este cambio, se estima que las pérdidas de energía se pueden reducir cuatro veces.

electromovilidad

A una potencia equivalente, pero con un tamaño reducido, el diamante abre nuevos caminos para aplicaciones en biónica y transporte. Siendo el peso del material el enemigo número 1 en el diseño de vehículos, este reemplazo se vuelve muy interesante.

Si la reducción de peso está involucrada en volúmenes más pequeños de materiales, la resistencia a altas temperaturas también es un argumento importante en estas aplicaciones. Más allá de los 150 °C, las propiedades del silicio cambian y ya no son óptimas. El diamante puede alcanzar fácilmente los 300°C. Como resultado, donde un convertidor de silicio requiere un sistema de enfriamiento complejo, el diamante ofrece soluciones más simples y fáciles. "En el caso de la electrificación de aeronaves, podemos imaginar la transición de un convertidor de 400 kg a 50 kg, lo que sería una gran ganancia", explica Étienne Gheeraert.

En general, los semiconductores son materiales, inorgánicos u orgánicos, que tienen la capacidad de controlar su funcionalidad en relación con la estructura química, la temperatura, la iluminación y la presencia de dopantes. El nombre de semiconductor proviene del hecho de que estos materiales tienen una conductividad eléctrica entre la de un metal, como el cobre, el oro, etc. y la de un aislante, como el vidrio. Tienen una brecha de energía de menos de 4eV (aproximadamente 1eV). En la física del estado sólido, existe una brecha de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción en la que los estados electrónicos están prohibidos. A diferencia de los conductores, los electrones en un semiconductor deben obtener energía (por ejemplo, de la radiación ionizante) para cruzar la banda prohibida y llegar a la banda de conducción. Las propiedades de los semiconductores están determinadas por la brecha de energía entre las bandas de valencia y las bandas de conducción.

El diamante es una forma sólida del elemento carbono con sus átomos dispuestos en una estructura cristalina llamada diamante cúbico. Los diamantes también son muy buenos aislantes eléctricos que, curiosamente, son útiles y problemáticos para los dispositivos eléctricos. El diamante es un semiconductor de banda ancha prohibida (Egap = 5,47 eV) con un alto potencial como material en muchos dispositivos, incluidos los electrónicos. Los detectores de diamante son muy similares a los detectores de silicio, pero ofrecen ventajas significativas, especialmente una alta dureza de radiación y corrientes de deriva muy bajas.

Características esenciales del diamante como material semiconductor avanzado

Aplicaciones de los convertidores de diamantes

Si la eficiencia de un buen convertidor de silicio ronda el 97%, es posible llegar al 99% con un convertidor de diamante. Esta diferencia puede parecer pequeña. Sin embargo, los beneficios son excelentes para ciertas aplicaciones específicas, como la transmisión de energía HVDC (corriente continua de alto voltaje) de larga distancia, como es el caso de los parques eólicos marinos. ¡Para llevar 1 GW de potencia al continente, se ahorran 20 MW!

La segunda aplicación es el transporte en general, porque cualquier tecnología que ahorre peso en un vehículo es potencialmente interesante. Si los coches eléctricos convencionales están equipados con convertidores de silicio, algunos vehículos de gama alta utilizan carburo de silicio (SiC), que puede considerarse como un intermedio entre el silicio y el diamante. Por ejemplo, Toyota ha estimado que es posible ganar un 20 % de autonomía cambiando de Si a SiC. Esto significa que se pueden obtener ganancias aún mayores cambiando a diamantes. Sin embargo, el automóvil ocupa el segundo lugar en proyectos de conversión de diamantes, siendo el principal mercado objetivo el aeroespacial, ya que es un sector que busca constantemente reducir el peso de sus aviones.

El diamante natural se asocia con el lujo.

El diamante no es un producto de lujo, sino un producto industrial. Además, el proceso industrial de fabricación de diamantes sintéticos se ha dominado durante mucho tiempo. Las máquinas PECVD utilizadas para hacer diamantes permiten depositar un área de 50 diamantes del tamaño de un grano de arena en una superficie de 2 pulgadas de diámetro. Cuando se trata de hacer un diamante, no es difícil: el proceso necesita hidrógeno que se puede obtener por hidrólisis de agua y metano para la fuente de carbono.

Sobre la base de la producción conocida en India y China, se estima que el 12 % de las joyas de diamantes se fabrica industrialmente sin el conocimiento del joyero, y esta tasa va en aumento. Por lo tanto, los fabricantes nos venden diamantes al mismo precio que los joyeros. Pero esta situación no puede durar; las cosas cambiarán en los próximos años a medida que la tecnología abra nuevos mercados importantes que interrumpirán por completo el comercio tradicional. Nada detendrá la tecnología del diamante y el precio caerá al valor de un mercado industrial. Esto sucederá tan pronto como la investigación demuestre una aplicación industrial generalizada del diamante en la electrónica.

¿Esta tecnología está lista para ver la luz del día a escala industrial?

Desde el punto de vista de la investigación, GreenDiamond lleva mucho tiempo involucrado en la fabricación de convertidores de diamantes. El propósito del proyecto GreenDiamond es también involucrar a la industria. Al final de este proyecto nació una start-up: DiamFab, creada en marzo de 2019, y que ganó un Grand Prix i-Lab en 2019. Además, ya han creado diodos y transistores listos para ser instalados, por lo que están cada vez más cerca de la industrialización. La pregunta que surge está relacionada con el costo del diamante. ¿Por qué el diamante es tan caro? Porque el precio no se rige por la ley de la oferta y la demanda, a diferencia de la mayoría de los materiales tecnológicos. Sin embargo, a partir de la década de 1970, el costo real de fabricar diamantes sintéticos era relativamente bajo, debido a las máquinas que pueden crearlos a baja presión y temperatura. Actualmente, los joyeros ajustan el precio del diamante, según la demanda.

Diamantes en genética

Muy recientemente, investigadores japoneses incluso han utilizado diamantes para almacenar moléculas de ADN. La investigación genética requiere lugares de almacenamiento lo más neutrales posible para que las moléculas de ADN no reaccionen. Con superficies de diamante, los biólogos pueden mantener las moléculas de ADN en buenas condiciones durante semanas. La baja reactividad química del diamante y su neutralidad biológica le confieren este papel sin precedentes.

La variedad de estos cristales de carbono que contienen hasta un porcentaje de boro o fósforo es muy grande. Sin embargo, la química nos enseña que los diamantes se queman muy bien en el aire a altas temperaturas. Sin duda es un medio costoso de producir dióxido de carbono, y esto da una idea de las limitaciones de este extraordinario material en una atmósfera oxidante.

Propiedades del diamante que determinan su uso en diversos campos

En primer lugar, la excepcional dureza, 150 veces superior a la del corindón y diez veces superior a la de las mejores aleaciones utilizadas en la fabricación de fresadoras. El diamante se utiliza para la perforación de rocas y el procesamiento mecánico de una amplia gama de materiales.

Más de la mitad de la producción de diamantes industriales se utiliza para fabricar herramientas especiales para la industria manufacturera. El uso de brocas y brocas de diamante en el procesamiento de metales ferrosos y no ferrosos, aleaciones duras y superduras, vidrio, caucho, plásticos y otras sustancias sintéticas ofrece un gran efecto económico en comparación con el uso de herramientas de carburo. Las superficies tratadas con un cortador de diamante no requieren lijado, prácticamente no hay microfisuras y, como resultado, la vida útil de las piezas obtenidas a menudo aumenta.

Casi todas las industrias, principalmente las que utilizan electricidad, radioelectrónica y fabricación de herramientas, utilizan grandes cantidades de alambre delgado de diversos materiales. Al mismo tiempo, se imponen requisitos estrictos sobre la capa circular y la consistencia del diámetro de la sección transversal del cable con un alto acabado superficial. Tal alambre de metales duros y aleaciones (tungsteno, acero al cromo-níquel, etc.) solo puede fabricarse utilizando moldes de diamante. Los moldes son diamantes laminares con los agujeros más finos.

Aplicaciones industriales

perforación diamantina

El desempeño de las operaciones de perforación permite la perforación con diamante, que se distingue no solo por la alta resistencia mecánica, sino también por la precisión en la formación de bordes. La tecnología prevé incluir en el proceso de trabajo el sistema de enfriamiento de los elementos de corte a través del agua. Además, además de la función de refrigeración, el sistema tiene una función de filtrado, eliminando instantáneamente el polvo que se forma durante la perforación.

El diamante se usa con frecuencia en la industria del petróleo y el gas y en la industria minera. Los diamantes son el material más duro y, como tal, las brocas de diamante son capaces de perforar agujeros en prácticamente cualquier material con una precisión que no tiene comparación con ninguna otra técnica de perforación. Las brocas de perforación de diamante son bien conocidas en la industria minera y, aunque la tecnología básica puede parecer la misma, la tecnología de compactos de diamante policristalino (PDC) está diseñada específicamente para perforar pozos de petróleo y gas.

Conductividad térmica

Los monocristales de diamante sintético enriquecidos en Carbono-12 (99,9 %), diamante isotópicamente puro, tienen la conductividad térmica más alta de todos los materiales, 7,5 veces superior a la del cobre. La conductividad del diamante natural se reduce en un 1,1 % por el carbono 13 presente de forma natural, que actúa como una falta de homogeneidad en la red. Estas propiedades permiten que el diamante se utilice como radiador para componentes electrónicos u optoelectrónicos, como los láseres.

Los especialistas utilizan la conductividad térmica natural del diamante para diferenciar un diamante real de uno de imitación. Esta prueba se basa en un par de termistores alimentados por batería montados en una fina punta de cobre. Uno funciona como dispositivo de calentamiento mientras que el otro mide la temperatura de la punta de cobre. Si la piedra que se está probando es un diamante, conducirá la energía térmica de la punta lo suficientemente rápido como para producir una caída de temperatura medible. Esta prueba dura entre 2 y 3 segundos.

arena de diamante

El diamante se usa en varias formas, pero el polvo de diamante se usa más comúnmente en la industria. Los polvos se obtienen triturando diamantes naturales de baja calidad y se fabrican en unidades especiales para la producción de diamantes sintéticos. Los polvos de diamante se utilizan en hojas de sierra circular, brocas de diamante fino, limas especiales, pero también como abrasivo. Solo con la ayuda de polvos de diamante fue posible crear brocas únicas que proporcionan agujeros finos y profundos en materiales duros y quebradizos.

Los polvos de diamante se utilizan en plantas de corte, donde se cortan y pulen todas las piedras preciosas, incluidos los diamantes. En el diamante, bajo la acción de una partícula cargada, aparece un destello de luz y un pulso de corriente. Estas propiedades hacen posible el uso de diamantes como detectores de radiación nuclear. El brillo de los diamantes y la aparición de pulsos de corriente eléctrica durante la irradiación permiten utilizarlos en contadores de partículas rápidos.

Uso de diamantes en joyería.

El diamante es la piedra más preciosa del mundo y se forma en miles de millones de años bajo la superficie de la tierra. La extraordinaria presión y el calor de la corteza terrestre convierten al carbono en una piedra maravillosa, la más codiciada por muchos. Al crear joyas, se tienen en cuenta cualidades de los diamantes como: número de quilates, color, claridad, fluorescencia.

La forma en que se corta un diamante es el factor más importante para determinar si un mineral será atractivo. El artículo marcado como 'excelente' o 'perfecto' significa que el joyero se ha asegurado de que el diamante se corte proporcionalmente. Mal cortado, no brillará o no brillará correctamente, ya que la luz no se reflejará a través de la piedra como debería ser. Incluso sus imperfecciones, como el color amarillento, son difíciles de considerar en un diamante perfectamente tallado.

Las minas de diamantes más ricas del mundo.

Hoy, la producción mundial de diamantes se divide entre África y el resto del mundo. El continente africano concentra cerca del 60% de la producción mundial de diamantes, con grandes yacimientos en países como Botswana (18%), Sudáfrica (9%), República Democrática del Congo (15%), Angola (6%) o Namibia (1%). Los otros grandes países productores fuera de África son Rusia, con el 22% de la producción mundial, pero también Australia (17%) y Canadá (7%) son también dos países importantes en cuanto a la producción de diamantes.

La primera mina de diamantes de Botswana se descubrió un año después de la independencia, en 1967, y desde entonces la participación del sector en la economía ha crecido a lo largo de los años. Hoy, el sector minero, encabezado por los diamantes, representa el 80% de las exportaciones del país, el 38% de los ingresos presupuestarios y el 23% de los ingresos aduaneros. El país es el mayor productor de África y el segundo del mundo, después de Rusia. Sin embargo, el control estatal sobre los diamantes también se basa en su asociación público-privada con De Beers, una subsidiaria del gigante angloamericano y la compañía de diamantes más grande del mundo. Las dos partes formaron una empresa conjunta (50/50), Debswana, para explorar minas, y una empresa, Diamond Trading Company Botswana (DTCB), para capitalizar los diamantes producidos.

En Congo, los depósitos de diamantes se concentran en Kasaï-Oriental, cerca de Mbuji-Mayi y en Kasaï-Occidental. Son aluviales, eluviales y primarias y están estrechamente relacionadas con las vetas de kimberlita. Los diamantes también se encuentran en Bas-Congo, Haut-Congo, Maniema, Equateur y Bandundu. El país alberga cinco proyectos y oportunidades, a saber, Blue Diamond, K North, Kasai Diamond, Kayembe Project y Soneco SARL Project.

En Angola, el sector de los diamantes está en auge. El país es actualmente el quinto mayor productor/exportador del mundo. La mayor parte (75%) de la producción de diamantes de Angola proviene de una sola mina, Catoca, propiedad de un consorcio que incluye a la empresa rusa Alrosa y la empresa nacional de diamantes Endiama.

La industria del diamante de Sudáfrica a menudo se ve eclipsada por el oro, el platino u otras contrapartes en las que Rainbow Nation es el líder. Sin embargo, importantes descubrimientos de diamantes han tenido lugar en las minas del país en el pasado, como Cullinan, donde se descubrió el diamante más grande de la historia.

Sudáfrica es el hogar de importantes comerciantes de diamantes como De Beers y Petra Diamonds. Se estima que la mayor parte de la producción de diamantes de Sudáfrica proviene de la mina De Beers Venice y la mina Petra Diamonds Finsch. La mina Venice es la principal fuente de producción de diamantes en Sudáfrica (40% de la producción anual). De Beers está preparando un proyecto de expansión subterránea allí, que debería permitirle procesar 133 millones de toneladas de mineral para 2022 y producir alrededor de 94 millones de quilates durante su vida útil. También está la empresa minera sudafricana Diamcor, activa en el proyecto Krone-Endora, que incluye derechos de exploración que cubren aproximadamente 5888 ha.

Namibia se encuentra entre los 10 mayores productores de diamantes del mundo y toda su producción es aluvial. La operación costa afuera de De Beers, Debmarine, produce más de la mitad de la producción de Namibia en volumen y valor. Debmarine es actualmente la única mina de diamantes en alta mar a gran escala en el mundo. Es propiedad de Namdeb Holdings, una empresa conjunta (50/50) de De Beers y el gobierno de Namibia. El proyecto alberga alrededor de 80 millones de quilates.

En 2014, Zimbabue era el octavo mayor productor de diamantes del mundo, con 4,7 millones de quilates, según cifras del grupo Kimberley Process. Desde entonces, la producción ha disminuido y el gobierno decidió en marzo de 2016 nacionalizar sus minas de diamantes. Todas las empresas que operan en la zona de Marange han sido expulsadas tras negarse a unirse a la Zimbabue Consolidated Diamond Company (ZCDC), una entidad creada por el Estado para gestionar sus minas de diamantes. La razón dada fue el vencimiento de las licencias.

Sierra Leona ha estado durante varios años en el corazón del comercio de diamantes que se utilizó para financiar una guerra civil en la década de 1990. Aunque la guerra terminó en 2002, con más de 50.000 muertos, en 2003 la ONU levantó el embargo a las exportaciones de diamantes. Hoy, el país parece estar recuperándose de esos años oscuros. Entre los proyectos más grandes del sector se encuentran las minas Tongo y Tonguma, que en conjunto poseen un recurso de 5 millones de quilates. En marzo de 2017, un investigador descubrió un enorme diamante de 706 quilates en la provincia de Kono.

Lesotho alberga la mina de diamantes más alta del mundo, la mina Letšeng, propiedad de la compañía minera Gem Diamonds, ubicada a una altitud de 3000 m. La mina Letšeng es conocida por su capacidad para producir diamantes blancos de calidad excepcional. Gem Diamonds encontró un diamante de 910 quilates que se cree que es el quinto más grande del mundo en enero de 2018.

La producción de diamantes de Tanzania, que alcanzó los 356.000 quilates en 2000, fue de 207.000 quilates en 2019 según el Proceso de Kimberley. La mina más grande del país es Williamson. La mina es una operación a cielo abierto basada en la tubería de kimberlita Mwadui de 146 hectáreas, que es una de las kimberlitas económicas más grandes del mundo. A pesar de haber estado en operación desde 1940, el pozo tiene solo 120 metros en su punto más profundo debido al gran tamaño del depósito. La baja ley del depósito se contrarresta con el alto valor de sus diamantes y se presta bien a métodos de minería a granel de gran volumen. Williamson es famoso por sus electrodomésticos bellamente redondeados y sus diamantes rosas "chicle", incluido el Williamson Pink de 23 quilates (piedra en bruto de 54 quilates), que se considera uno de los diamantes rosas más finos jamás recuperados.

Otros países productores de diamantes

Otros países africanos productores de diamantes son Ghana (174 000 quilates en 2015), Guinea (167 000 quilates), Liberia (69 000 quilates), Congo (40 000 quilates), Costa de Marfil (15 000 quilates) y Camerún (2000 quilates). Estos datos fueron publicados en octubre de 2019 por Kimberley Process, una organización creada en el año 2000 para una mayor transparencia en la industria mundial del diamante.

Acerca de la Coalición de la Sociedad Civil del Proceso de Kimberley (KP CSC)

El CSC de KP tiene la misión específica de garantizar que los diamantes contribuyan a la paz y la prosperidad, en lugar del conflicto y la miseria. Con este objetivo, siempre han pedido y siguen pidiendo a la industria y los gobiernos de los países productores, comerciantes y fabricantes de diamantes que se aseguren de que los ingresos de los diamantes no contribuyan a financiar conflictos, violencia o abusos contra los derechos humanos.

El KP CSC señala que la Federación de Rusia y la empresa de extracción de diamantes Alrosa, en la que la Federación de Rusia tiene una participación del 33 %, son respectivamente el país productor de diamantes y la empresa de extracción de diamantes más grande del mundo y, por lo tanto, tienen un impacto considerable y global en este sector Por lo tanto, hacen un llamado a los gobiernos, la industria y el Sistema de Certificación del Proceso de Kimberley (KP) para asegurarse de que los diamantes producidos en Rusia o por la minera de diamantes de propiedad estatal de Rusia, Alrosa, no contribuyan a financiar el conflicto.