Diamanten lijken hun exclusieve glans te verliezen. De prijzen voor deze edelstenen zijn de afgelopen twee jaar met maar liefst 40 procent gedaald. Een van de redenen? Synthetische diamanten, edelstenen die je niet uit de bodem hoeft te halen en gewoon in het lab kan groeien. In de basis bestaat diamant enkel uit koolstofatomen die in een strakke kristalstructuur zijn gedrukt. De aarde doet er miljarden jaren over om deze structuur te maken, en dat maakt ze zo zeldzaam en waardevol.

Tegenwoordig komen de meeste diamanten uit mijnen in Rusland, Australië, Canada en Zuidelijk Afrika. ‘De mijnbouw zorgt hier voor veel werkgelegenheid, en er zijn de afgelopen jaren veel meer regels gekomen om dit goed te laten verlopen’, vertelt Hanco Zwaan, onderzoeker bij het Nederlands Edelsteen Laboratorium van Naturalis in Leiden. ‘Maar toch zie je nog steeds wel eens nare omstandigheden, en heeft het natuurlijk wel effect op mensen en het milieu.’ 

Pindakaas 

Het is dan ook niet zo gek dat onderzoekers al jaren zoeken naar een manier om diamanten in het lab te maken. De klassieke methode om dit te doen bootst eigenlijk gewoon het proces in de aarde na. ‘Je kunt vrijwel elk koolstofrijk materiaal, samen met wat metalen, in een machine stoppen die dit onder hele hoge druk en hoge temperatuur samenperst’, vertelt Ivan Buijnsters, universitair hoofddocent micro- en nanotechnologie aan de TU Delft. ‘Dit werkt typisch met grafiet, maar in theorie ook met pindakaas. En na een week heb je dan een kleine diamant van een paar millimeter.’ 

‘Dit werkt typisch met grafiet, maar in theorie ook met pindakaas’

Ivan Buijnsters, TU Delft 

Inmiddels zijn er ook andere methodes ontwikkeld. Zo kun je een materiaal met veel koolstof erin laten ontploffen. Dat levert diamantpoeder. Buijnsters: ‘Dit kost slechts een fractie van een seconde, maar het is natuurlijk niet zo gecontroleerd.’ En er zijn laboratoria die pulserende hoogenergetische lasers op grafiet schieten en zo diamanten weten te maken, maar dit proces blijkt lastig op te schalen. Daarom richt het veld zich de afgelopen jaren vooral op chemical vapour deposition (CVD), een techniek die al uitvoerig gebruikt wordt voor het coaten van allerlei producten van zonnebrillen tot chipszakken. Bij deze techniek maak je gebruik van de zogenoemde reactieve gasfase, die ontstaat wanneer gassen bij hogere temperatuur uiteenvallen. ‘We plaatsen een substraat, zoals een metalen plaat, in een afgesloten kamer onder verlaagde druk en voegen geactiveerd methaangas en waterstofgas toe’, legt Buijnsters uit. De gassen vallen uiteen, waardoor koolstof zich hecht aan de plaat. ‘De koolstoflaag kan bestaan uit diamant of grafiet. Het is een chemische reactie die wij zeer precies een bepaalde kant opsturen om het gewenste product te krijgen, in dit geval een laag diamant.’   

Precies opbouwen 

Het is inmiddels mogelijk om CVD toe te passen op een breed scala aan materialen inclusief een kleine ‘kiem’ diamant als substraat, waar je laag voor laag een kristal omheen kunt groeien. Het grote voordeel van deze techniek is de snelheid, je kunt al binnen een uur een diamant in handen hebben. En het levert een enorm zuiver product op, zegt Buijnsters. ‘Vanuit de techniek met de hoge druk en temperatuur zie je vaak wisselende kwaliteit, met CVD kunnen we heel precies de diamant opbouwen zoals we willen.’ 

Op deze manier is al een synthetische diamant gemaakt van maar liefst 50 karaat, vertelt Zwaan. Een ruwe steen van die omvang is zeldzaam en je moet er al snel €3 miljoen voor neertellen. ‘De CVD methode kan hele goeie diamanten produceren die met het blote oog niet van echt te onderscheiden zijn.’ Soms graveren producenten de letters LGD, lab-grown diamond, in de diamant, maar dit is alleen onder een microscoop te zien. Voor identificatie van een diamant zijn onderzoekers daarom aangewezen op meer technische methodes. ‘Je moet bijvoorbeeld kijken naar het stikstofgehalte in het kristal’, legt Zwaan uit. ‘Kleurloze natuurlijke diamanten bevatten vaak veel stikstof; kleurloze synthetische diamanten juist niet, of extreem weinig. Daarnaast kijken we ook naar de groeistructuren met fluorescentie imaging.’ 

‘Juwelenhuizen moeten nu bewijzen dat hun productie echt duurzamer is’

Hanco Zwaan, Naturalis 

Een groot deel van de synthetische diamanten komen terecht in juwelen. ‘Omdat de techniek zoveel is verbeterd de afgelopen jaren, zijn labdiamanten een stuk goedkoper geworden. En dat is voor veel juwelenmakers én consumenten erg aantrekkelijk.’ De prijsverschillen zijn vooral zichtbaar bij grotere diamanten. ‘De prijs voor natuurlijke diamanten loopt exponentieel op als je meer karaat hebt, omdat die grotere stenen nou eenmaal veel zeldzamer zijn’, zegt Zwaan. ‘Voor synthetische diamanten is er vaak een vaste prijs per karaat, die lag onlangs nog op 800 dollar, maar kan met nieuwe technieken waarschijnlijk makkelijk dalen naar 200 dollar per karaat.’ 

Sensoren   

Veel producenten en juwelenhuizen presenteren de synthetische diamant als een duurzamer alternatief. En hoewel er voor deze diamant natuurlijk geen mijnbouw nodig is, is daar wel iets op af te dingen. ‘Al deze methodes kosten enorm veel energie’, zegt Buijnsters. ‘En van het materiaal dat je gebruikt eindigt vaak maar een klein deel in de diamant, de rest is afval of uitstoot.’ Natuurlijk kun je de energievraag opvangen met duurzaam opgewekte elektriciteit, maar veel productielocaties liggen op het moment in India en China, waar ze vooral op steenkool draaien. Zwaan: ‘Veel juwelenhuizen die deze claims hebben gemaakt, moeten nu bewijzen dat hun productie echt duurzamer is.’ 

‘Onze diamant-sensoren kunnen bijvoorbeeld bepaalde biomoleculen in water detecteren’

^{Ivan Buijnsters, TU Delft} 

Maar naast juwelen is er nog een ander belangrijke toepassing voor de diamanten: in onderzoek en hoogstaande technologie. ‘Diamant is een fantastisch materiaal. Het is slijtvast, mechanisch extreem hard en het kan warmte heel goed geleiden’, vertelt Buijnsters. ‘Het is ook optisch transparant over een brede golflengte, en je kunt er elementen aan toevoegen om het elektrisch geleidend te maken.’ Zo kun je diamanten gebruiken in kwantumcomputers, als koeling voor transistoren of als gereedschap. Buijnsters is dus heel blij dat hij nu zelf diamanten kan maken. ‘We zijn niet meer afhankelijk van de geopolitieke situatie, het is een stuk goedkoper en we kunnen de kristallen precies zo maken als we willen.’ Hij werkt zelf onder andere aan elektrochemische toepassingen. ‘Onze diamant-sensoren kunnen bijvoorbeeld bepaalde biomoleculen in water detecteren. Of we kunnen water zuiveren door zuurstofradicalen te vormen op het grensvlak van onze diamant elektrodes, die reageren met zo’n beetje alles wat ze tegenkomen.’  

De vraag is natuurlijk of we de mijnbouw in de toekomst nog wel nodig hebben, of dat we alle diamanten gewoon in het lab kunnen groeien. Voor Buijnsters zijn goedkope labdiamanten in ieder geval een grote uitkomst: ‘Hoe goedkoper, hoe meer we het kunnen toepassen in betaalbare technologie.’ Zwaan verwacht dat er wel een markt blijft voor natuurlijke diamanten. ‘De vraag is altijd welke waarde wij als mensen aan zo’n steen hechten. Exclusieve exemplaren van producten zijn altijd meer waard dan iets waar je er veel van kunt krijgen. Ik denk dat er in de toekomst steeds meer diamanten uit een fabriek zullen komen, maar de echte stenen zullen zeker ook nog lang waardevol blijven.’