Применение природных и искусственных алмазов. Свойства и методы производства искусственных алмазов

УО "БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Кафедра технологии важнейших отраслей промышленности

Индивидуальное задание

на тему: Производство искусственных алмазов

Реферат. 3

Введение. 4

Глава 1. Природные алмазы.. 5

1.1 Углеродная природа алмаза. 5

1.2 Природные месторождения. 6

1.3 Цена бриллианта. 7

Глава 2. Развитие технологии производства алмазов. 9

2.1 Необходимость промышленного производства алмазов. 9

2.2 Этапы развития. 10

2.3 Метод температурного градиента. 11

2.4 Применение тиснумита. 13

2.5 Современные технологии. 15

2.6 Химическая обработка. 17

2.7 Радиационная обработка. 17

2.8 Термобарическая обработка. 18

2.9 Управляемый синтез. 18

2.10 Контроль происхождения алмазов. 20

Заключение. 22

Список использованных источников. 23

Ключевые слова: алмаз, бриллиант, тиснумит, огранка, кимберлит, графит, кристалл, примеси, синтез.

В данной работе приводится общая информация о свойствах и природе алмазов, их крупнейших местрождениях и способах добычи; о развитии технологии производства искусственных алмазов и их применения, а также о современных технологиях выращивания и обработки алмазов.

Введение

Алмаз - абсолютно незаменимый материал в самых разных областях человеческой деятельности, начиная от ювелирной и обрабатывающей промышленности и заканчивая электронной и космической. И все это - благодаря его уникальным свойствам: твердости и износостойкости, большой теплопроводности и оптической прозрачности, высокому показателю преломления и сильной дисперсии, химической и радиационной стойкости, а также возможности его легирования электрически и оптически активными примесями. Крупные и особо чистые природные алмазы - большая редкость, поэтому неудивительно, что успешные попытки их производства вызывают огромный интерес.

Алмазы применяются во многих отраслях промышленности как абразивный материал. Дороговизна натуральных алмазов вызывает необходимость производства синтетических камней в промышленных масштабах. Ежегодное производство их составляет несколько миллионов карат. И большая их часть применяется для технологических нужд.

Целью работы является изучение технологии производства и обработки синтетических алмазов. Для этого ставится задача осветить историю развития отрасли, рассмотреть основные технологические процессы производства и способы обработки искусственных алмазов, а также показать разнообразные сферы применения таких алмазов в промышленности и современных нанотехнологиях.

1.1 Углеродная природа алмаза

С давних пор алмаз считали чудодейственным камнем и могущественным талисманом. Полагали, что человек, носящий его, сохраняет память и веселое расположение духа, не знает болезней желудка, на него не действует яд, он храбр и верен.

Алмаз является самым твердым минералом (твердость 10 по минералогической шкале; плотность 3,5 г/см3) с высоким показателем преломления 2,417. Кроме того, алмаз – полупроводник. На воздухе алмаз сгорает при 850 oС с образованием СО2; в вакууме при температуре свыше 1500 oС переходит в графит. Свойства алмаза резко меняются в зависимости от наличия (тип I) или отсутствия (тип II) примеси азота. Для типа I характерно аномальное двупреломление, низкая фотопроводимость, отсутствие электропроводности, поглощение в инфракрасном (между 8-10 мкм) и ультрафиолетовом (от 3300 А) диапазонах, высокая теплопроводность. Безазотные алмазы (тип II) практически изотропны, с высокой фотопроводностью, не поглощают инфракрасное излучение и прозрачны в ультрафиолетовом (до 2200 А), обладают чрезвычайно высокой теплопроводностью. Рентгеновская дифракция выявляет в первом типе дополнительные линии, свидетельствующие о «дефектности» кристаллической структуры.

Трудно представить, что самый твердый из известных природных материалов является одной из полиморфных (отличающихся расположением атомов в кристаллической решетке) модификаций углерода, другая модификация которого - графит, мягкое вещество, использующееся в качестве смазки и грифелей для карандашей. В алмазе, имеющем кубическую структуру, каждый атом углерода окружен четырьмя такими же атомами, которые образуют правильную четырехгранную пирамиду. Графит же имеет слоистую структуру, в которой прочные связи между атомами углерода существуют только внутри слоя, где атомы образуют гексагональную сетку. Связь же между отдельными слоями очень слабая, поэтому они могут легко скользить относительно друг друга и остаются на бумаге в виде микрочешуек, когда мы пишем карандашом.

Зарождались и росли алмазы миллиарды лет назад на глубинах в 150-200 км под воздействием высоких температур и давлений. Условия для их роста, как правило, сохранялись в течение нескольких миллионов лет, а затем нарастающее давление выбрасывало их ближе к земной поверхности. После чего они либо оставались на месте (в «коренных» месторождениях), либо под действием ветра и воды извлекались из породы и накапливались во вторичных (россыпных) месторождениях. До середины XX века основная добыча алмазов приходилась на россыпные месторождения. Их гораздо легче было искать и разрабатывать. Однако эти месторождения, как правило, мелкие и быстро истощаются. После 1990 года более 75% мировой добычи алмазов стало приходиться на долю коренных месторождений, так называемых кимберлитовых трубок. Эти конусообразные, суживающиеся книзу залежи породы выступали своеобразным транспортером, доставляющим алмазы на поверхность земли. Площадь выхода кимберлитовых тел на поверхность различна. Самая крупная кимберлитовая трубка «Мвадуи» в Танзании имеет поперечник ~1-1,5 км. Глубина разработки трубок доходит до 1 км. Однако далеко не все кимберлитовые трубки являются алмазоносными. Рентабельны только те, в которых содержание алмазов составляет 0,5-5 каратов (0,1-1,0 грамма) на одну тонну породы. Подавляющая часть алмазов обычно имеет размер от долей миллиметра до 4-5 мм, и их масса меньше карата (0,2 грамма).

В настоящее время добыча минералов ведется в 26 странах мира, крупнейшими из которых являются Россия (Якутия и Урал), Ботсвана, ЮАР, Заир и Намибия. Ежегодно в мире добывается в среднем 100-110 млн. каратов (20 тонн). В последние годы Россия вышла на первое место по добыче природных алмазов и на второе по их суммарной стоимости. По данным Минфина, объем добычи алмазов в России в первом полугодии 2004 года составил 17,7 млн. карат при средней цене 51 доллар за карат (0,2 грамма). Экспорт необработанных природных алмазов с территории РФ за январь-сентябрь 2004 года составил 23,6 млн. каратов. Доля ювелирных алмазов составляет 20-25%. Основная масса (75-80%) добываемых камней - так называемые технические. Алмазы данной категории благодаря своим высоким абразивным качествам нашли широкое применение в обрабатывающей и бурильной промышленности. Самый большой ювелирный алмаз в мире - «Куллинан», массой 3106 карат (621,2 грамма), размером 5,5х10х6,5 см, был найден в 1905 году в Трансваале (ЮАР). Впоследствии из него было изготовлено 9 крупных бриллиантов (самый большой «Звезда Африки» - 530,2 карата) и 96 мелких. В процессе огранки было потеряно 66% исходной массы кристалла.

Бриллианты (ограненные алмазы) оцениваются по четырем главным CCCC критериям (так называемая система 4’C): цвет (color), качество (clarity), огранка и пропорции (cut), вес в каратах (carat weight). Наиболее ценны те, что имеют так называемый «высокий» цвет, а в действительности являются бесцветными. Наличие даже едва заметного и незначительного, на взгляд неспециалиста, оттенка желтого, коричневого или зеленого цвета (называемого ювелирами «нацветом») может серьезно понизить стоимость камня. У бесцветных алмазов выше всего ценится круглая огранка (бриллиант в этом случае имеет 57 граней), позволяющая максимально выявить блеск и игру камня (так называемый «огонь»). Максимальная стоимость бриллианта весом 1 карат сегодня составляет $18 000. Наиболее часто камни такого же веса имеют менее высокий цвет и качество, и их стоимость - $5 000- $8 000.

Рисунок 1.1. Цветные бриллианты

Чемпионами по стоимости в мире бриллиантов являются окрашенные в красный, голубой, розовый, зеленый и оранжевый цвета камни. Цена на розовые и голубые бриллианты может превосходить стоимость бесцветных аналогичного веса и качества в 10 и более раз, а самым дорогим (за карат) за всю историю бриллиантом является камень красного цвета весом 0,95 карата, проданный в 1987 году на аукционе Christie’s за 880 000 долларов США. Единого прейскуранта для цветных камней не существует, и, как правило, они формируются на аукционных торгах.

Высокая цена на эти камни объясняется не только их особыми характеристиками, но и уровнем монополизации в торговле: Международная корпорация «Де Бирс», контролирующая 70-80% поставляемых на рынок природных алмазов, уже более столетия удерживает на них известные цены. Освоение во второй половине XX века промышленного производства технических и ювелирных аналогов не снизило стоимость алмазов на мировом рынке.

В промышленном количестве выращивают только мелкие камни диаметром до 0,6 мм, используемые в качестве сырья для изготовления абразивного инструмента. Цены на них незначительно упали после освоения данной технологии и составляют около 10 центов за карат. Снижение цен на ювелирные алмазы не предвидится, поскольку их выращивание обходится довольно дорого.

Алмазы привлекали человечество еще с давних времен. Необычайная красота этих камней стала причиной их использования для создания разных украшений. Однако позже люди выявили и другие полезные свойства алмазов - их уникальную прочность и твердость. Для обеспечения потребностей производства природа не создала много этого материала, поэтому у людей возникла идея - изготовлять алмазы искусственным путем.

Ценность алмазов

Алмаз считается уникальным камнем, обладающим редким сочетанием важных характеристик: сильная дисперсия, большая теплопроводность, твердость, оптическая прозрачность, износостойкость. Из-за своих физико-механических свойств алмазы высоко ценятся не только ювелирными экспертами, но и широко применяются в разных отраслях промышленности. Так, этот драгоценный камень используют в медицине, оптике и микроэлектронике.

Но в полной мере удовлетворить производственные потребности чистыми природными алмазами очень сложно и довольно дорого. По этой причине человечество начало задумываться над тем, как сделать искусственный алмаз. Синтетический камень должен был не только обладать важными свойствами настоящего алмаза, но и иметь более совершенную кристаллическую структуру, что очень важно для высокотехнологических областей.

Как возникли синтетические алмазы

Потребность в создании синтетического камня возникла очень давно. Но на практике осуществлена лишь в XX веке. До этого времени ученые не могли придумать технологии изготовления алмазов, хотя сумели установить, что они являются родственниками с обыкновенным углеродом. И через несколько десятков лет был создан первый синтетический алмаз, который получили из графита под воздействием высокой температуры и давления путем Именно с этого момента началось производство искусственных алмазов, которые сегодня применяются во многих элементах разного оборудования и инструментах.

Технологии производства алмазов

В наше время для получения синтетического камня используют несколько технологий, каждая из которых имеет свои особенности. Самая надежная, но наиболее дорогостоящая технология заключается в производстве алмаза из кристаллического углерода, который помещают для обработки в специальный пресс. Сначала на обрабатываемый материал мощными насосами подается вода. Таким образом создается Затем вода замерзает под действием хладагента, в результате чего давление увеличивается до 10 раз. На последнем этапе камера, в которой находится углерод, подключается к и подается на несколько долей секунды мощный ток. Под одновременным воздействием температуры и давления происходит преобразования графита в твердый камень. После этой фазы пресс размораживают, сливают жидкость и достают готовый искусственный алмаз.

Выращивание алмаза метаном

Еще используют более простую технологию производства синтетического камня - метод взрыва, который позволяет нарастить искусственный кристалл под действием метана. Очень часто производство искусственных алмазов происходит по двум технологиям. Дело в том, что в первом случае удается получить наивысший процентный выход алмазов, но они будут очень маленькими. Вторая технология позволяет существенно нарастить полученный синтетический камень с помощью обдувания метаном под воздействием температуры около 1100 ºС. Метод взрыва дает возможность получить искусственный алмаз любой величины.

Виды искусственных алмазов

В наше время производят много разновидностей синтетических алмазов: фианит, муассанит, страз, сегнетоэлектрик, рутил, фабулит, церуссит. Наиболее совершенной подделкой алмаза считается фианит, или кубик циркония. Он являет собой Поэтому многим неоднократно приходилось слышать, как называется искусственный алмаз цирконом. Хотя он не имеет никакого отношения к натуральному дорогостоящему камню.

Фианит характеризуется большой твердостью, высокой степенью дисперсии и преломления. Благодаря своим свойствам этот камень отлично имитирует настоящий алмаз и широко используется в ювелирной промышленности. Даже эксперты невооруженным глазом практически не могут отличить подделку от оригинала, поскольку они играют одинаково.

Самым качественным аналогом алмаза считается муассанит. У него такие же физические свойства, как у натурального камня, а по оптическим показателям он даже лучше. Единственный его недостаток - он уступает в твердости.

Особой популярностью пользуются стразы, изготовленные из свинцового стекла, состоящего из окиси свинца. Благодаря своему составу эти камни потрясающе играют на свету и имеют блеск, идентичный блеску алмазов.

Где применяются синтетические алмазы

Искусственный алмаз широко используется ювелирными заводами для изготовления роскошных украшений, которые не только выглядят красиво, но и весьма доступны по цене. Изделия с поддельными камнями смотрятся не хуже и отлично носятся.

Также выращивание искусственных алмазов является неотъемлемой частью современной промышленности. На их основе производятся сверхпрочные инструменты: алмазные пилы, полирующие диски, долота, сверла, скальпели, ножи, разные резцы и пинцеты. Техника и оборудование, изготовленные из алмазного материала, позволяют обрабатывать наиболее прочные сплавы и сырье. Кроме того, алмаз обеспечивает максимальную точность в машинах и приборах.

Как создать искусственный алмаз в домашних условиях

Некоторые эксперты утверждают, что вырастить синтетический алмаз возможно в домашних условиях. Но самостоятельное изготовление искусственных алмазов потребует немало усилий и затрат времени. Мы расскажем, как вырастить минерал из соли, внешне отдаленно напоминающий алмаз.

Итак, для создания такого камня понадобится поваренная соль, химическая посуда, чистый лист бумаги и лабораторный фильтр. Сначала следует приготовить маленький кристалл. Для этого нужно наполнить химический стакан на 1/5 часть солью, залить наполовину теплой водой и перемешать. Если она растворилась, значит, нужно досыпать еще немного. Соль нужно добавлять до тех пор, пока она не перестанет растворяться. Затем раствор профильтровать в другую посуду, в которой и будет расти камень, и накрыть бумагой. Все время нужно контролировать уровень раствора. Камень не должен оказаться в воздухе. Если раствор испарился, нужно приготовить новый и долить.

Люди, которые делали такие опыты, утверждают, что на протяжении недели домашний алмаз искусственный должен заметно подрасти.

Стоимость искусственного алмаза

В современном мире синтетические камни заняли отдельный сегмент рынка ювелирных украшений. Получение искусственных алмазов постоянно усовершенствуется. Ученые изобретают новые камни, которые мгновенно получают массовую популярность, а более старые утрачивают спрос и постепенно исчезают с рынка. Например, в середине XX века для имитации алмазов в украшения вставляли искусственный рутил. Затем его заменили на фианит. А в 90-х гг. все предыдущие вытеснил муассанит.

Цены на искусственный алмаз зависят от размера, огранки и технологии производства. Многие люди ошибочно считают, что синтетические камни - это обычное стекло, и не видят в них никакой ценности. Но на самом деле такие алмазы часто стоят немалых денег, а некоторые из них являются довольно редкими. Так, иные разновидности искусственного алмаза могут стоить больше, чем природные аналоги.

Среди синтетических алмазов наиболее популярными считаются фианиты разного цвета. Их средняя стоимость за карат в ограненном виде колеблется от 1 до 5 долларов США. А известный алмазный аналог муассанит стоит намного дороже - 70-150 долларов США за карат.

Значимым факторов формирования цены на камни является цвет. Так, стоимость алмаза желтого цвета составляет 40-50 долларов за 0,2 карата, но за камень оранжево-розовой окраски в зависимости от размера придется заплатить около 3000 долларов.

Мировые лидеры

В течение последних лет мировыми лидерами по производству синтетических камней считаются Китай, Япония, США и Россия. Наиболее активно развивает это направление Китай, постоянно изобретая новые технологии синтеза.

Искусственные бриллианты – прекрасная альтернатива для тех, кто не может позволить себе натуральные камни, при этом за гораздо меньшую цену вы получаете великолепное украшение, изготовленное из экологически чистого материала. На сегодняшний день различают два основных вида искусственных бриллиантов - синтетические камни и так называемые, заменители алмазов.

Процесс создания синтетического алмаза был разработан в 1892 году французским химиком Анри Муассаном (Henri Moissan). Крошечные частички синтетического алмаза образовывались при нагревании угля или углеродного материала в чугунном тигле до экстремально высоких температур (4000¼ C). На сегодняшний день в изготовлении искусственных бриллиантов используют два основных метода: воздействие на материал высоким давлением при нагреве до высоких температур (HTHP) и метод химического осаждения из газовой фазы (CVD).

Температура плюс давление

Данная технология известна также под названиями HTHP и «GEPOL». В данном случае используется специальная установка в виде тетраэдрического пресса или шестиступенчатого кубического пресса высокого давления. Алмазное «семечко» помещают в рабочую камеру, которая находится внутри пресса, и подвергают воздействию высокой температуры и высокого давления, при этом создаются условия, максимально приближенные к естественным характеристикам процесса образования алмазов в природе. В отличие от натуральных алмазов, температурно-прессовой метод позволяет «вырастить» искусственный алмаз за семь-десять дней. Нередко дополнительная обработка синтетических алмазов температурой и давлением применяется для улучшения характеристик камня и достижения максимальной схожести с натуральным аналогом.

Метод химического осаждения из газовой фазы (CVD)

Разработанный в 80-х годах прошлого века метод предполагает условия выращивания кристалла при более низком давлении. В рабочую камеру помещается частица исходного материала, которая затем подвергается комбинированному воздействию температуры и давления, в то время как соединение выпаренной углеродной плазмы и водорода наслаивается на субстрат. Углеродные газы заряжаются микроволновой энергией и притягиваются к исходному материалу. При использовании метода химического газофазного осаждения формирование синтетического алмаза занимает несколько дней.

Выращенные в лабораторных условиях алмазы не уступают натуральным в твёрдости, кливаже (спайности), коэффициенте преломления, световой дисперсии, удельном весе и сиянии. Также как и натуральные алмазы, синтетические варианты могут содержать небольшие включения.

Цветовая гамма и оптические характеристики искусственных бриллиантов

В отличие от натуральных бриллиантов, которые в большинстве своем не имеют цвета, синтетические бриллианты обладают легким желтоватым оттенком и виной тому включения азота, которые рассеиваются в структуре кристаллической решетки во время фазы роста кристалла. Включения азота поглощают голубой спектр светового луча, в результате чего кристалл приобретает желтоватый оттенок.

Заменители бриллиантов

Заменители бриллиантов широко используются в ювелирной промышленности с 1970-х годов, вначале бриллианты заменяли кубически стабилизированным цирконом (фианитом), позже появились такие заменители как муассанит и Nexus. Более сотни лет назад для имитации бриллиантов использовали хрусталь, циркон и белый сапфир, особенно популярны эти камни были в изготовлении перстней в викторианском стиле.

Заменитель бриллиантов Nexus представляет собой соединение углерода с другими веществами. Такие заменители отличаются прочностью и твердостью и сопровождаются утроенной пожизненной гарантией прочности. Материалом для изготовления фианитов служит диоксид циркония. Среди всех заменителей бриллиантов фианит считается наименее прочным и, соответственно, одним из самых дешевых.

Муассанит, который синтезируют из карбида кремния, славится своим блеском и сиянием. Высокая прочность этого заменителя бриллианта, безусловно, отразилась и на его цене, из всех заменителей, муассанит самый дорогой, к тому же этот кристалл обладает определенными внешними особенностями, которые позволяют отличить его от натурального бриллианта.

При сравнении искусственных и натуральных бриллиантов разница, которая видна невооруженным глазом, – это стоимость кристаллов, однако стоит отметить, что белые (бесцветные) синтетические бриллианты нередко не уступают в цене натуральным бесцветным алмазам. Еще одно отличие: в натуральных бриллиантах присутствуют включения и неоднородность, в то время как синтетические варианты практически безупречны.

Сравнительная характеристика

Если вы решили приобрести украшение с искусственным бриллиантом, вам определенно удастся сэкономить кругленькую сумму, но если вы хотите максимально снизить затраты, тогда обратите внимание на изделие с заменителями бриллиантов, они стоят намного дешевле, чем вещицы с искусственными алмазами.

Заменители уступают натуральному бриллианту в прочности и твердости, но в плане сияния и блеска могут составить достойную конкуренцию натуральным кристаллам. К тому же заменители совершенно чисты и лишены каких бы то ни было включений. Муассанит обладает наиболее ярким блеском и интенсивностью бликования, что в некотором роде создает нежелательный для некоторых покупателей эффект «дискотечного шара», фианиты не обладают таким сиянием, как бриллианты, но лучше отбрасывают блики.

Бриллианты любят все женщины на планете, но позволить такую роскошь могут себе не все. Современные технологии позволяют создать искусственный бриллиант, который в несколько раз дешевле натуральных камней.

Бриллиант необходим не только для красоты.

Его используют в промышленной сфере, космонавтике, медицине и индустрии моды.

Как появились искусственные алмазы

Натуральный камень был известен человечеству ещё десятки веков назад. Любители невероятного блеска готовы были отдавать за бриллиант круглую сумму. Любители обмана придумывали всевозможные хитрости, чтобы получить деньги. За бриллиант выдавали горный хрусталь, фианит, муассанит. Создание искусственного камня не давало покоя человечеству, и в конце XIX столетия учёные начали изучать состав камня и его строение .

Благодаря уникальным характеристикам драгоценность имеет высокую цену на рынке ювелирных изделий. Твёрдость, высокая теплопроводность, сильная дисперсия, оптическая прозрачность и износостойкость - такие свойства ценят не только ювелиры, но и специалисты различных сфер науки, начиная с промышленности и заканчивая медициной.

Чтобы все сферы жизнедеятельности смогли применять алмазы в своей отрасли, люди начали придумывать, как выращивать бриллианты.

Искусственные бриллианты называются синтетическими, то есть созданными в лаборатории.

В 1950 году шведские учёные впервые синтезировали драгоценность , а через несколько лет на рынке можно было купить камень искусственного происхождения для создания украшений. В последнее время современный рынок украшений практически полностью представлен ювелирными украшениями с искусственными камнями.

Обычный человек вряд ли сможет отличить подделку от настоящей драгоценности, поэтому многие производители пользуются отсутствием знаний у народа.

Процесс выращивания

Как называется искусственно выращенный бриллиант - знает любой человек, который интересовался технологией его производства. В настоящее время существует несколько технологий синтетического изготовления искусственной драгоценности .

Самая прочная, но при этом дорогостоящая технология производства - из кристаллического углерода . Углерод помещается в специальный пресс, на котором насосы при помощи воды создают высокое давление, тем самым обрабатывая материал.

Далее такой специальный материал, как хладагент замораживает воду, тем самым увеличивая давление в 10 раз. На следующем этапе в камеру подаётся мощный заряд тока, и под воздействием воды и электричества происходит преображение камня. Разморозив камеру, можно получить готовый искусственный продукт.

Взрыв при помощи метана позволяет нарастить каменную массу - так называют специалисты искусственный бриллиант. Эта технология менее затратна, чем выращивание из углерода.

Применять метан можно двумя способами. При применении первого алмазы получатся мелкими, но с высоким процентом выхода готового изделия. Второй метод позволяет нарастить каменную массу, но температура обработки достигнет 1100 градусов.

Сфера применения

Практически 90% всех камней используется в сфере промышленности и науки.

Самые чистые камни применяются в нанотехнологиях, а также в машиностроении.

С их помощью можно создавать инструменты с повышенной прочностью.

Такими инструментами являются:

шлифовальные круги;
полирующие диски;
свёрла.

Широкое применение синтетический бриллиант нашёл в индустрии моды и красоты. Стразы применяют в одежде, а также в бижутерии и для украшения обуви.

Искусственный материал является отличной альтернативой натуральному бриллианту. Такой камень можно применить в различных сферах промышленности, моды и медицины, а также разрабатывать специальные нанотехнологии.

26 мая 2015 года Международный геммологический институт (IGI) в Гонконге выдал сертификат на необычный рекордный бриллиант массой 10,02 карата, цвета E и чистоты VS1. Подобные драгоценные камни не такая уже и редкость в ювелирном мире, но уникальность данного случая состояла в том, что камень не был добыт из земных недр, а был огранен из 32-каратного кристалла синтетического алмаза, выращенного российской компанией New Diamond Technology (NDT). «Это далеко не первый наш рекорд, — говорит генеральный директор компании Николай Хихинашвили. — Предыдущий, 5-каратный, продержался всего два месяца».

Роман Колядин, директор по производству, показывает мне небольшой цех в одном из технопарков неподалеку от Сестрорецка. Цех безлюден, лишь полтора десятка гидравлических прессов стоят вдоль стен. Это и есть «месторождение» — внутри прессов, в условиях высоких температур и давлений, микрон за микроном растут абсолютно безупречные алмазы. На пультах управления контроллеров у каждого пресса отражаются текущие параметры, но Роман просит снимать картинку так, чтобы эти данные не попали в кадр: «Общие принципы синтеза алмазов хорошо известны и используются в промышленности уже более полувека. А вот детали режимов синтеза — одно из ноу-хау нашей компании». Я обращаю внимание на прецизионные кондиционеры, поддерживающие микроклимат в цеху с точностью до десятых долей градуса. Неужели в такой точности есть необходимость? «Помните, мы сразу же закрыли за собой дверь, чтобы избежать сквозняка? — объясняет Роман. — Небольшие отклонения в температурном режиме могут серьезно повлиять на качество алмаза, и не в лучшую сторону. А мы всегда стремимся получить идеальное качество».

Процесс выращивания монокристаллов алмаза при высокой температуре (около 1500 °C, с нужным градиентом) и высоком давлении (50−70 тыс. атм.). Гидравлический пресс обжимает специальный контейнер, внутри которого находится металлический расплав (железо, никель, кобальт и др.) и графит. На подложке размещается одна или несколько затравок — небольших кристаллов алмаза. Сквозь камеру протекает электрический ток, разогревающий расплав до нужной температуры. В этих условиях металл служит растворителем и катализатором процесса кристаллизации углерода на затравке в форме алмаза. Процесс выращивания одного крупного или нескольких более мелких кристаллов длится 12−13 суток.

Подсмотрели у природы

История синтетических алмазов начинается с конца XVIII века, когда ученые окончательно поняли, что этот камень по своему составу является углеродом. В конце XIX века были попытки превратить дешевые варианты углерода (уголь или графит) в твердый и блестящий алмаз. Заявления об удачном синтезе делали многие известные ученые, такие как французский химик Анри Муассан или британский физик Уильям Крукс. Позднее, правда, было установлено, что никто из них на самом деле успеха не добился, и первые синтетические алмазы были получены только в 1954 году в лабораториях компании General Electric.

Более дешевый процесс осаждения алмаза из ионизированной углеводородной газовой среды на подложке, разогретой до 600−700°С. Для выращивания монокристаллов с помощью CVD требуется алмазная монокристаллическая подложка, выращенная с помощью HPHT. При осаждении на кремний или поликристаллический алмаз получается поликристаллическая пластина, имеющая ограниченное применение в электронике и оптике. Скорость роста — от 0,1 до 100 мкм/ч. Толщина пластин обычно ограничена 2−3 мм, поэтому вырезанные из нее алмазы можно использовать в качестве ювелирных, но их размер, как правило, не превышает 1 карата.

Процесс, который использовали для синтеза в GE, был «подсмотрен» у природы. Считается, что земные алмазы образуются в мантии, на глубине в сотни километров под поверхностью Земли, при высокой температуре (около 1300°С) и высоком давлении (около 50 000 атм.), а затем выносятся на поверхность магматическими породами, такими как кимберлиты и лампроиты. Разработчики GE обжимали с помощью пресса ячейку, внутри которой находился графит и железо-никелево-кобальтовый расплав, выступавший в качестве растворителя и катализатора. Этот процесс был назван HPHT (High Pressure High Temperature — высокое давление, высокая температура). Именно этот способ позднее стал коммерческим для получения недорогих технических алмазов и алмазных порошков (сейчас их производят миллиардами карат в год), а в 1970-х с его помощью научились изготавливать и ювелирные камни массой до 1 карата, хотя и весьма среднего качества.

Две основные технологии промышленного получения синтетических алмазов — это HPHT и CVD. Существует еще ряд экзотических методик, таких как синтез нанокристаллов алмаза из графита при взрыве или экспериментальный метод получения микронных алмазов из суспензии частиц графита в органических растворителях под воздействием ультразвуковой кавитации.

Обходной путь

С 1960-х годов в мире идет разработка еще одного метода синтеза алмазов — CVD (Chemical Vapor Deposition, осаждение из газовой фазы). В нем алмазы осаждаются на подогреваемую подложку из углеводородного газа, который ионизируется с помощью СВЧ-излучения или разогревается до высокой температуры. Именно на этот метод синтеза в начале 2000-х стали возлагать большие надежды и небольшие стартапы, и крупные компании типа Element Six, входящей в группу De Beers.

До последнего времени метод HPHT оставался сильно недооцененным. «Когда мы несколько лет назад покупали оборудование, нам все в одни голос говорили, что промышленные прессы пригодны разве что для синтеза алмазных порошков», — говорит Николай Хихинашвили. Все ресурсы выделялись на разработку CVD, а технология HPHT считалась нишевой, никто из специалистов не верил, что с ее помощью можно выращивать достаточно крупные кристаллы. Однако, по словам Николая, специалистам компании удалось разработать собственную технологию синтеза, которая буквально произвела в отрасли эффект разорвавшейся бомбы. Несколько лет назад в отчете одной из геммологических лабораторий так и было написано: «Вес данного бриллианта составляет 2,30 карата! Подобная величина бриллианта еще до недавнего времени была гарантом его природного происхождения».

Огранка алмазов для получения сверкающих бриллиантов — процесс долгий и не слишком впечатляющий для непосвященного человека. И выращенные, и натуральные алмазы обрабатываются совершенно одинаковым образом.

Лучшие друзья девушек

«Мы, конечно, не единственные, кто выращивает алмазы крупнее 5−6 карат, — объясняет Николай. — Но все остальные подчиняются принципу «два из трех»: крупные, качественные, коммерчески выгодные. Мы первые, кто научился получать крупные кристаллы алмаза высокого качества по приемлемой стоимости. На 32 прессах мы можем выращивать около 3000 карат в месяц, и это камни очень высокого качества — алмазы цвета D, E, F и чистоты от чистейших IF до SI, в основном типа II. 80% нашей продукции — это ювелирные алмазы массой от 0,5 до 1,5 карата, хотя мы можем вырастить под заказ алмаз любого размера». В качестве доказательства Николай протягивает мне кристалл размером с 10-рублевую монету: «Вот это, например, 28 карат. Если огранить его, получится бриллиант карат в 15».

В начале 2000-х мировой алмазный монополист, компания De Beers, была сильно обеспокоена грядущим выходом на ювелирный рынок синтетических алмазов, опасаясь, что это может подорвать бизнес. Но время показало, что бояться нечего — синтетические алмазы занимают очень малую долю ювелирного рынка. К тому же за это время были разработаны методы исследований, которые позволяют достаточно уверенно идентифицировать выращенные алмазы. Признаками синтеза являются включения металла, в цветных алмазах можно рассмотреть секторы роста, к тому же HPHT, CVD и натуральные природные алмазы в УФ-лучах имеют разный характер люминесценции.

В зависимости от содержания азота алмазы относят к одному из двух основных типов. Алмазы типа I содержат до 0,2% азота, атомы которого расположены в узлах кристаллической решетки группами (Ia) или по одиночке (Ib). Тип I преобладает среди природных алмазов (98%). Как правило, такие камни редко бывают бесцветными. Алмазы типа IIa практически не содержат азота (менее 0,001%), среди природных камней их всего 1,8%. Еще реже (0,2%) встречаются безазотные алмазы с примесью бора (IIb). Атомы бора в узлах кристаллической решетки обуславливают их электропроводность и придают алмазам голубоватый оттенок.

«Как относятся потребители к выращенным алмазам? Хорошо, — говорит Николай, — особенно современная молодежь. Для них важно, что эти алмазы бесконфликтны и созданы людьми с помощью высоких технологий без вмешательства в природу. Ну и цена примерно вдвое ниже. Конечно, в сертификате написано, что камни выращенные, но ведь носят-то кольцо с бриллиантом, а не сертификат! А по физическим и химическим свойствам наши алмазы идентичны природным».

Пока что большую часть прибыли дает изготовление алмазов для ювелирного рынка. Однако, скорее всего, в ближайшие годы возникнет огромный спрос на выращенные алмазы и алмазные пластины для специальной оптики, микроэлектроники и других высокотехнологичных промышленных применений.

От украшений к промышленности

Ювелирные алмазы — это прибыльная часть бизнеса NDT, но завтрашний день принадлежит другому направлению. Технический директор компании NDT Александр Колядин любит говорить: «Если из алмаза уже ничего больше нельзя изготовить, сделай бриллиант». На самом деле наиболее перспективный рынок для крупных высококачественных синтетических алмазов — это промышленность. «Ни один природный алмаз не годится для использования в специальной оптике или электронике, — говорит Александр Колядин. — В них слишком много дефектов. А пластины, вырезанные из наших алмазов, имеют почти идеальную кристаллическую решетку. Некоторые исследовательские организации, которым мы предоставляем наши образцы для изучения, с трудом могут поверить в измеренные параметры — настолько они идеальны. И не просто отдельные образцы — мы можем уверенно обеспечить повторяемость характеристик, что для промышленности жизненно важно. Алмазы — это теплоотводы, это окна для специальной оптики и для синхротронов, и, конечно, силовая микроэлектроника, над созданием которой сейчас работают во всем мире».

«Промышленное направление пока составляет 20% нашего производства, но года через три мы планируем довести его до 50%, тем более что спрос быстро растет. Сейчас мы в основном делаем пластины 4 х 4 и 5 х 5 мм, вырезали по заказу несколько 7 х 7 и 8 х 8 мм и даже 10 х 10 мм, но это пока не массовое производство. Наша следующая цель, — говорит Николай Хихинашвили, — это перейти к изготовлению дюймовых алмазных пластин. Это тот минимум, который очень востребован в массовой электронной и оптической промышленности. Для получения таких пластин нужно вырастить кристалл алмаза массой в сто карат. Это наш план на ближайшее будущее». «На десятилетие?» — уточняю я. Николай с огромным удивлением смотрит на меня: «Десятилетие? Мы собираемся сделать это до конца года».