Je leest:

Diamantslijpen

Diamantslijpen

Auteurs: en | 30 september 1998

Diamantslijpen is een ambacht. De diamantslijper drukt de kostbare edelsteen tegen een sneldraaiende schijf, waarbij hij ervoor moet zorgen dat hij de diamant met precies de juiste druk en in de juiste richting tegen de slijpschijf houdt. De slijpschijf is een gietijzeren schijf die is ingewreven met diamantpoeder in olie. Gaat het slijpen fout, bijvoorbeeld doordat de diamant onder een foute hoek tegen de schijf wordt gedrukt, dan slijpt de diamant niet en raakt de met zorg geprepareerde schijf beschadigd.

De slijper herkent de juiste oriëntatie en druk aan de zingende toon tijdens het slijpen en aan de wrijving die de diamant ondervindt. Als de druk en het toerental van de slijpschijf te laag zijn, dan slijpt de diamant niet snel genoeg. Is de druk te hoog, dan vindt er geen goede slijping plaats. Bij goed slijpen haal je ongeveer tien micrometer diamant per minuut weg. De schijf maakt 3000 omwentelingen per minuut. Meer mag niet, anders kan hij uit elkaar spatten.

Het prepareren van de slijpschijf en het slijpen van de diamanten eist veel kundigheid van de diamantslijpers, die de techniek meester zijn geworden door persoonlijke overdracht van kennis en opgedane ervaring tijdens hun lange opleiding. Het feit dat diamantslijpen nog steeds een ambachtelijk karakter heeft – de slijpopstelling is eenvoudig en het slijpen gebeurt volledig handmatig – komt mede doordat het microscopische mechanisme van het slijpen tot voor kort onbekend was.

Een diamant slijpt, daar gaat niets van af (of juist wel), maar hoe precies? Waarom slijpt hij in deze oriëntatie niet en in die wel? Met zijn ervaring heeft de diamantslijper de microscopische theorie weliswaar in zijn vingers, maar niet in zijn hoofd. De onwetendheid doet het vak van diamantslijper omhullen met een waas van mystiek.

Wat gebeurt er precies met de koolstofatomen van de diamant tijdens het slijpen? Er is harde wetenschap nodig om de extreem harde stof zijn mysteriën te doen prijsgeven. Pas onlangs slaagden onderzoekers van de universiteiten van Cambridge en Nijmegen erin om de raadselen te ontsluieren.

Symmetrie

Elk koolstofatoom in diamant is chemisch gebonden aan vier buuratomen. Deze vier vormen samen een tetraëder, een regelmatig viervlak. De gezamenlijke tetraëders vormen een kubisch rooster; in een enkele kubus liggen vier tetraëders. Zo’n kubus heeft drie verschillende symmetrieassen. De lichaamsdiagonaal van de kubus is zo’n as: de rotatie om die as over 120° maakt dat de kubus in zichzelf overgaat. Langs de verschillende symmetrieassen zijn de eigenschappen van diamant anders. Vandaar dat de slijpsnelheid afhangt van de slijprichting.

Het regelmatige patroon van koolstofatomen zie je terug in de kristalfacetten van veel ruwe diamanten. Die hebben dezelfde rotatiesymmetrieën als het kristalrooster. Het driepuntsvlak bijvoorbeeld is het vlak loodrecht op de driepuntsrichting. De verschillende facetten hebben andere eigenschappen. De hardheid, of het gemak waarmee je een facet kunt slijpen, hangt af van het vlak en van de richting waarin je slijpt. Een diamant heeft zes vierpuntsvlakken, acht driepuntsvlakken en twaalf tweepuntsvlakken.

Diamant bestaat uit enkel koolstof. Elk koolstofatoom is verbonden met vier andere koolstofatomen door een (covalente) chemische binding. De atomen samen vormen een kubisch rooster (rechtsboven), een hechte kooiconstructie waaraan diamant zijn speciale eigenschappen ontleent. Vanwege de ruimtelijke constructie is diamant extreem hard, dat wil zeggen bestand tegen buigen, breken en plastisch vervormen. De atoombindingen in het netwerk geven de edelsteen ook bijzondere optische eigenschappen: transparantie, een hoge brekingsindex en een grote kleurschifting. Diamant is dus een uitstekend prisma. In combinatie met de zeldzaamheid van diamant maken deze eigenschappen het tot een begeerd, fonkelend juweel dat vrijwel onverslijtbaar is.

De kubus laat zien dat diamant anisotroop is: de eigenschappen hangen af van de richting waarin je kijkt. De driepuntsrichting bijvoorbeeld is de richting langs de lichaamsdiagonaal van de kubus. De diagonaal is een symmetrie-as: na een rotatie over 120° om de diagonaal ziet het kristal er precies hetzelfde uit. Er passen drie zulke draaiingen in een hele cirkel (360°), vandaar de naam driepunt.

Alle chemische bindingen tussen de koolstofatomen lopen evenwijdig aan een van de drie driepuntsassen. Het driepuntsvlak, het vlak loodrecht op de driepuntsas, doorsnijdt per oppervlakte-eenheid het laagste aantal bindingen. Daarom is het doorsnijden of kloven van de diamant langs dit vlak het gemakkelijkst.

De tweepuntsrichting is de as door het midden van twee tegenoverliggende ribben van de kubus. De rotatiesymmetrie langs de tweepunt is 180°. De vierpuntsrichting tenslotte is de as door de middens van twee tegenoverliggende vlakken; de rotatiehoek is hier 90°.

De onderliggende symmetrie van de koolstofatomen openbaart zich in de vorm van veel natuurlijke diamanten (zie afbeelding boven). Het vierpuntsvlak is bijvoorbeeld het vlak loodrecht op de vierpuntsrichting. De hardheid van diamant hangt af van het kristalvlak en van de richting in dit vlak.

Kristalfacetten

Iedere diamantslijper weet dat het slijpen van de koolstofkristallen wordt bepaald door de oriëntatie van het kristal, de preparatie en conditie van de slijpschijf en de uitgeoefende druk. Een diamant is simpelweg een blok koolstof – het is de kristalstructuur die de edelsteen zijn bijzondere eigenschappen verleent.

De koolstofatomen in het kristal zijn volgens een periodiek patroon gerangschikt. Dat zorgt ervoor dat diamant, zoals trouwens elk kristal, anisotroop is: hij vertoont bijvoorbeeld niet onder alle hoeken dezelfde hardheid. De symmetrie van de microscopische atoompatronen openbaart zich door de kristalfacetten van een natuurlijke diamant: zij zijn in wezen een macroscopische verwezenlijking van de microscopische structuur. De diamantslijper weet dat, en weet ook dat de verschillende kristalfacetten elk andere eigenschappen hebben.

De belangrijkste facetten van het diamantkristal zijn het tweepunts-, het driepunts- en het vierpuntsvlak (zie kader rechts). Deze drie facetten vertonen extreme verschillen in hun slijpsnelheid (de dikte-afname per tijdseenheid). Slijpers spreken van ‘harde’ en ‘zachte’ richtingen, die respectievelijk moeilijk en makkelijk slijpen. De slijpsnelheid hangt af van het facet dat je aan het slijpen bent en van de slijprichting in dit facet. Zo slijpt het driepuntsvlak vrijwel niet.

Het tweepuntsvlak en het vierpuntsvlak slijpen juist erg goed als de slijprichting naar een vierpuntsvlak wijst; de diamantbewerker moet dan zelfs oppassen dat hij niet te veel wegneemt. Slijpen in een richting die daarvan sterk afwijkt, is daarentegen onmogelijk. Voor de diamantslijper is een goede kennis van de harde en zachte slijprichtingen voor alle mogelijke kristalvlakken essentieel.

Anisotroop

De Engelse onderzoeker Tolkowsky ondernam de eerste poging om van diamantslijpen een wetenschap te maken. In de jaren twintig van de huidige eeuw mat hij de slijpsnelheid van de diverse kristalfacetten en slijprichtingen. Het resultaat was een dramatische anisotropie: in het tweepuntsvlak bijvoorbeeld, bleek de verhouding tussen de slijpsnelheid van de vierpuntsrichting en de tweepuntsrichting groter dan duizend. Dat had elke diamantslijper hem natuurlijk direct kunnen vertellen.

Tolkowsky’s verdienste was dat nu voor het eerst de slijpsnelheden kwantitatief waren gemaakt. Wat hij nóg ontdekte, was dat de slijpsnelheid recht evenredig toeneemt met het toerental van de schijf. Dat lijkt niet spectaculair? Toch wel, want in de wetenschap zijn het dit soort verbanden die het mogelijk maken om de ene theorie te kunnen verwerpen ten gunste van de andere. De evenredigheid tussen dikte-afname en toerental die Tolkowsky vond zou later dan ook cruciaal blijken.

Harder dan hard

Feitelijk is het vanwege de anisotropie van de diamant dat er überhaupt nog iets te slijpen valt. Al in de Oudheid en de Middeleeuwen wisten ambachtslieden dat je edelstenen kon slijpen met een materiaal dat harder was dan die edelsteen. In de hiërarchie van hardheden staat de diamant als koning bovenaan. Je zou dus zeggen dat diamant alles slijpt maar nergens mee te slijpen is. Dat is inderdaad lang zo geweest: tot aan het einde van de 14e eeuw waren de enige in Europa bekende diamanten natuurlijke, onbewerkte kristallen.

De meest gewilde vormen waren de octaëder en de dodecaëder. Dat is geen toeval: de octaëder (achtvlak) en de dodecaëder (twaalfvlak) zijn twee van de vijf regelmatige veelvlakken en behoren dus tot de meest volmaakte wiskundige vormen. Het spreekt buitengewoon tot de verbeelding als de natuur de schoonheid van de wiskunde in de vorm van een flonkerend juweel kan belichamen. De octaëder is de oorspronkelijke groeivorm van de diamant. De dodecaëder ontstaat op het moment dat een vulkanische eruptie de diamanten vanuit het binnenste van de aarde omhoog brengt.

Diamant met diamant

Pas in het begin van de 15e eeuw bleek dat er een koning nodig was om een koning te onttronen: diamant slijp je met diamant. De ontdekking was dat je diamantpoeder kon gebruiken om de natuurlijke groeivorm van de koolstofblokken te corrigeren. Al snel begon de fantasie te werken en slepen de ambachtslieden puntsteen, rozenslijpsel en spiegelsteen. Die evolueerden tot de moderne slijpvarianten, zoals de briljant.

De slijpschijf is een gietijzeren schijf van ongeveer dertig centimeter doorsnee. De bewerker wrijft de schijf in met een mengsel van fijn diamantpoeder en olie. De korreltjes in het poeder, één tot tien micrometer groot, hechten zich in de poriën van de metalen schijf, die vervolgens ‘ingewerkt’ wordt met een goedkope diamant. Dat wil zeggen: er wordt een diamant mee geslepen, zodat de korreltjes die in de zachte richting georiënteerd zijn, afslijpen.

De harde richtingen blijven over en maken het mogelijk een diamantkristal in de zachte richtingen te slijpen. De diamantkorreltjes slijten nauwelijks. Bij zorgvuldig werken gaat een ingewerkte slijpschijf weken tot maanden mee. Als de bewerker een diamant in de harde richting probeert te slijpen, dan raakt de schijf binnen enkele minuten beschadigd en moet ze opnieuw worden schoongemaakt, ingewreven en bewerkt

Groeven en ruggen

Het was Tolkowsky die met de eerste hypothese voor het slijpen kwam. In 1920 opperde hij dat het slijpen plaatsvindt door het afkloven van zeer kleine kristalfragmenten. Omdat je diamant alleen langs de driepuntsvlakken gemakkelijk kunt kloven, moeten deze stukjes kleine tetraëders (viervlakken) of octaëders zijn. Tolkowsky’s model werd vanaf de jaren vijftig verfijnd en met verve verdedigd door het Engelse onderzoekersechtpaar John en Eileen Wilks.

Nanokloofmodel

Volgens dit nanokloofmodel bestaat een diamantoppervlak dat in een harde richting geslepen is, louter uit parallele groeven en ruggen. De ruggen, die als het ware bestaan uit reeksen elkaar steunende tetra- en octaëders, maken het weghalen van een los veelvlakje moeilijk. Een diamantoppervlak geslepen in een zachte richting is volgens de hypothese daarentegen ruw. Het bestaat uit een verzameling van elkaar niet steunende tetra- en octaëders, los verspreid over het kristaloppervlak. Die zijn dus gemakkelijk te verwijderen.

Met een gewone optische microscoop waren de ruggen echter niet te zien. Opnamen met een elektronenmicroscoop suggereerden dat de kristalfragmentjes zo’n tien nanometer groot zouden zijn. Die tien nanometer was tegelijkertijd de detectielimiet van de microscoop en de preparatietechniek. De conclusie was dus niet bepaald solide.

Thermische model

In 1958 introduceerde de Brit Michael Seal een alternatieve hypothese. Hij dacht dat tijdens het slijpen het koolstof door de wrijvingshitte zou verworden tot grafiet of zelfs zou verbranden tot koolmonoxide of koolstofdioxide. De wrijvingsweerstand van een diamant is tijdens het slijpen in de zachte richting veel hoger dan in de harde richting, zodat in het eerste geval veel meer wrijvingswarmte ontstaat.

Dat verklaart inderdaad de snellere slijpsnelheid van de zachte richting. In een chemische reactie (zoals omzetting van diamant in grafiet of verbranding) neemt de reactiesnelheid vrijwel altijd exponentieel toe met de temperatuur. Tolkowsky had echter gevonden dat de slijpsnelheid evenredig is met de draaisnelheid van de schijf. Seal kon daarom zijn thermische model weer ten grave dragen.

Attritiemodel

Seal liet het daar niet bij, en sloeg in de jaren zestig terug met zijn attritiemodel. Met een diamantnaald kraste hij over diamantplaatjes, zowel in de harde als in de zachte richtingen. Hij concludeerde uit deze frictieproeven dat tijdens het krassen individuele of kleine groepen koolstofatomen van de diamant losraken. Bij lage translatiesnelheden, inherent aan de frictieproeven van Seal, reageert het koolstof met de lucht tot een wasachtig product. Omdat de anisotropie in slijtage tijdens de trage frictie-experimenten gelijk bleek te zijn aan die tijdens het snelle diamantslijpen, concludeerde de Engelse onderzoeker dat zijn experimenten geschikt waren om het mechanisme van het diamantslijpen te achterhalen.

Een consequentie van het attritiemodel is dat na polijsten een diamantoppervlak bijna vlak is of eventueel uit egale groeven bestaat. Dat geldt zowel voor de zachte als de harde richtingen. Over de wijze waarop de koolstofatomen van het kristaloppervlak weggeplukt werden, kon Seal echter niets zeggen.

In het midden van de jaren zestig stonden de twee modellen om het diamantslijpen te begrijpen lijnrecht tegenover elkaar. Volgens het nanokloofmodel verdwijnen tijdens het slijpen tetra- en octaëders, terwijl het attritiemodel het heeft over kleine groepjes koolstofatomen die eventueel met de omgevingslucht reageren. Tot aan het begin van het huidige decennium bleef de patstelling gehandhaafd.

Moderne onderzoeksmethoden

Met een atomic-force-microscoop kun je details tot op moleculaire schaal zichtbaar maken door met een fijn tipje een kristaloppervlak af te tasten. Microscopisch kleine monsters kun je onderzoeken met spectroscopie in een elektronenmicroscoop. Snelle computers kun je inzetten om de moleculaire processen aan kristaloppervlakken te simuleren aan de hand van de kwantummechanica. Ziedaar de verworvenheden van de laatste decennia, de technieken die je kunt inzetten ter ontrafeling van het slijpmysterie. Het begon aan de universiteit van Nijmegen.

Atomic-force-microscoop

De atomic-force-microscoop is een instrument waarmee je geweldig kunt inzoomen. De foto toont een opname van een diamantoppervlak geslepen in een harde richting. De harde richting laat een ruw oppervlak zien.

Deze opname met de atomic-force-microscoop toont een opname van een diamantoppervlak geslepen in een zachte richting. De zachte richting vertoont gladde groeven. De groeven zijn enkele nanometers diep en tientallen nanometers breed.

De Braziliaan Marcos Couto scande daar met de atomic-force-microscoop geslepen diamantoppervlakken. Hij vond dat de diamantoppervlakken die in een harde richting waren geslepen, ruw zijn. De zachte slijprichtingen leverden gladde groeven op. Dat was tot ieders verbazing precies het tegenovergestelde van de bewering van het nanokloofmodel.

De harde slijprichtingen lieten geen ondersteunende tetra- en octaëdertjes zien, maar vertoonden wel veel breuken en kloven. Het was duidelijk dat het slijpen hier geschiedt door het afbreken van kleine kristalsplinters. Het nanokloofmodel behaalde daarmee een succesje.

De zachtere slijprichtingen zijn voor de diamantbewerker veel belangrijker. Diamantplaatjes geslepen in één van de zachte richtingen zagen er heel anders uit. Ze leken veel meer op de gladde, geplooide oppervlakken zoals die voorspeld waren door het attritiemodel. Blijkbaar vond hier geen afsplintering van diamantfragmentjes plaats, maar werden de atomen individueel of in kleine groepjes verwijderd.

Het zwarte poeder dat tijdens het slijpen ontstaat, werd geanalyseerd door de universiteit van Cambridge. De analyse bevestigde de bevinding: het poeder bestond niet uit diamantsplintertjes, maar uit amorf, grafietachtig koolstof. Een flink succes voor het attritiemodel.

Computersimulatie

Maar hoe komen die koolstofatomen los van het diamantoppervlak? Het attritiemodel vertelt alleen dat ze in kleine groepjes loskomen, maar vertelt er niet bij hoe dat gebeurt. Dat is een erg lastige vraag, omdat je nu eenmaal moeilijk met een elektronenmicroscoop of met spectroscopie een stukje diamant kunt bekijken tijdens het slijpen. De computer biedt hier soelaas.

Theoretici aan de Universiteit van Cambridge simuleerden op de computer de atomaire processen tijdens het slijpen van een tweepuntsvlak. Wat blijkt? Als dit vlak in de tweepuntsrichting wordt geslepen, steunt een hele reeks van bijna achter elkaar liggende atomen het voorste atoom. Dat laat zich daardoor nauwelijks verwijderen. Dit correspondeert dientengevolge met de harde polijstrichting.

Grafietvorming

De bewerking in de zachte vierpuntsrichting geeft een ander beeld. De oppervlakteatomen vinden in deze richting geen ruggesteun, zodat de atoombindingen sterk vervormen. Zó sterk, dat de bindingen van viervoudig gebonden naar drievoudig gebonden overgaan. Met andere woorden: de koolstofatomen verkrijgen de eigenschappen van het veel zachtere grafiet, dat louter uit drievoudig gebonden koolstofatomen bestaat.

Grafietvorming is dus de oorzaak van het snelle polijsten in de zachte richtingen. De grafietvorming ontstaat door de vervorming van de atoombindingen en heeft niets met de temperatuur te maken. Beide processen, nanokloven voor de harde polijstrichting en attritie voor de zachte, zijn mechanisch geactiveerd en niet thermisch. Dat verklaart de observatie dat de slijpsnelheid recht evenredig is met de omwentelingssnelheid van de slijpschijf.

De puzzel is daarmee opgelost. Zowel Seal als Tolkowsky hadden gelijk; het microscopische mechanisme vindt zijn verklaring niet simpelweg in een enkel model, maar hangt af van de slijprichting. Natuurlijk dienen de modellen nog verfijnd te worden: bij het slijpen spelen chemische processen een secundaire rol, zoals de adsorptie van en reactie met zuurstof, ijzer en waterstof. Om hier inzicht in te krijgen moeten uitgebreidere computersimulaties en nieuwe in-situ oppervlakteanalysetechnieken ingeschakeld worden.

Carat Color Clarity Cut

De waarde van een geslepen diamantkristal wordt bepaald door de vier C’s: Carat, Color, Clarity en Cut. In tegenstelling tot de karaat bij goud, die de zuiverheid geeft, duidt die van diamant het gewicht van de steen aan. Een karaat is 0,2 gram. Omdat grote diamanten veel zeldzamer zijn dan kleine, neemt de prijs exponentieel toe met het gewicht.

De kleuren Champagne en Cape Yellow (respectievelijk bruin en bleekgeel) zijn minder geliefd dat de ‘witte’ diamanten. Meestgeliefd is River, wit met een zwakblauwe zweem. Oneerlijke lieden pogen soms eigenaardige kleurschakeringen kunstmatig aan te brengen. Een deskundige met de juiste spectroscopische apparatuur trapt hier echter niet in.

Voor de juwelier is een diamant zuiver als hij met een goede loep geen insluitsels kan zien. Die insluitsels, die in de meeste diamanten wel voorkomen, doen de prijs drastisch kelderen, hoewel ze voor de geoloog juist uitermate interessant zijn. Ze vertellen namelijk over de omgeving waarin de diamant is ontstaan: in de bovenmantel van de aardkorst op zo’n tweehonderd kilometer diepte. Uit de chemische samenstelling van de insluitsels blijkt dat de kristallen zijn gegroeid bij een temperatuur van 1200°C en een druk van zestig kbar (ca. 6.109 Pa).

Het vakmanschap van de slijper bepaalt ten slotte de vierde C. De diverse facetten moeten precies in elkaar passen en exact op hetzelfde punt eindigen. Het type slijpsel, zoals briljant, baguette of smaragd, is evengoed prijsbepalend maar wel erg modegevoelig.

Kloven, lasersnijden en meer

Al voordat diamanten werden geslepen, gebruikten diamantbewerkers vaak de techniek van kloven. Je kunt diamant splijten langs een driepuntsvlak, het zwakste vlak in het kristalrooster. De klover brengt daartoe eerst een kerf in het oppervlak aan. Een stomp mes in deze kerf en een klap met een houten hamer doen de rest.

Met kloven loop je wel een risico, want in plaats van twee diamanten houd je soms een hoopje diamantsplinters over. Daarom worden ze tegenwoordig vaker doorgezaagd dan gekloofd. Het principe van zagen is hetzelfde als dat van slijpen. Je gebruikt een dun, sneldraaiend schijfje van fosforbrons, ingewerkt met diamantpoeder en olie, en je moet over flink wat geduld beschikken. Het kost zo’n tien uur om een eenkaraats diamant door te zagen.

Als je niet hecht aan de traditionele methoden, kun je ook een laser gebruiken om diamanten te bewerken. De laserstraal, enkele micrometers dik, zorgt ervoor dat een gedeelte verdampt en een gedeelte omgezet wordt in grafiet. Omdat het lasersnijden onafhankelijk is van de oriëntatie van het kristal, is de techniek erg flexibel. Hij wordt dan ook niet zozeer toegepast voor de diamant als juweel, maar voor de diamant in industriële toepassingen. Hetzelfde geldt voor meer exotische technieken zoals vonkverspanning en plasma-etsen, waarmee je microscopisch kleine, ingewikkelde patronen aan kunt brengen.

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 30 september 1998

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.