Как создают ограненные синтетические алмазы

Алмаз — самый твердый минерал на Земле. Сфера его применения невероятно широка, но запасы в недрах ограничены, а открытые месторождения истощаются. Все это приводит к росту цен на минерал, но природных запасов не становится больше. Вот почему ученые и инженеры потратили несколько веков на разработку методов создания алмазов в лабораторных условиях. Такие камни получили название ограненных синтетических алмазов.

История ограненных синтетических алмазов

Сегодня преимущественно используются две технологии создания ограненных синтетических алмазов: HPHT (High Pressure High Temperature) и CVD (Chemical Vapor Deposition). Первая состоит в воздействии высокой температуры и давления на углерод, а вторая — в послойном осаждении алмаза. Первая уходит корнями в XVIII век, а вторая зародилась только в прошлом столетии.

Расскажем, как ученые и инженеры разработали эти методы и в чем их особенности.

Первые исследования

История создания алмазов в лаборатории тесно связана с прорывом в химической науке. Французский естествоиспытатель Антуан Лоран Лавуазье (1743−1794), основоположник современной химии, сделал в 1772 году важнейшее открытие: установил, что кристаллическая решетка алмаза аналогична кристаллической структуре углерода. Для этого он накалил минерал до температуры горения и проанализировал состав выделившегося газа.

После открытия Лавуазье начались эксперименты по культивированию возможного аналога драгоценного камня. В 1879 году шотландский химик Джеймс Баллантайн Хэнней заявил, что синтезировал алмаз путем нагревания древесного угля до температуры 6330 °F (3500 °C).

Попытки Хэннея продвинули науку: он правильно установил один из принципов — температурное воздействие. Но одной температуры недостаточно, и это можно наблюдать в природе. Месторождения драгоценного камня часто находят возле вулканов. Когда горячая лава накрывает поверхность, она не только создает очень горячую среду, но и повышает давление.

В 1892 году французский химик Анри Муассан одновременно применил к углероду высокое давление и высокую температуру. Он заявлял, что ему удалось точно смоделировать условия, в которых минерал образуется в природе. Эксперименты Муассана не удалось повторить другим ученым, и со временем они пришли к выводу, что химик представил недостоверные результаты. Тем не менее работы велись в верном направлении.

Удачные эксперименты

Первый действительно успешный синтез кристалла совершила шведская компания ASEA в 1953 году. Ее специалисты вели работы с 1942 года в рамках секретного проекта. Инженеры использовали громоздкий аппарат с разделенной сферой. Внутри поддерживалась температура около 2400 °C и давление 8,4 ГПа. Эксперимент длился час. Результатом стали несколько кристаллов. Но их качество и размер не подходили для создания ювелирных украшений, а сами образцы не были представлены общественности.

Дальнейшее исследование продолжила американская компания General Electric, которая продемонстрировала первый синтезированный кристалл в 1955 году. Алмаз был создан в ленточном прессе, который мог поддерживать температуру выше 2000 °C и давление более 10 ГПа. В прессе использовали контейнер, где графит растворялся в расплавленном железе, никеле или кобальте. Металлы действовали как катализаторы и ускоряли процесс превращения графита в алмаз. С помощью этого метода удалось создать алмаз диаметром 0,15 мм. Однако из него все еще невозможно было сделать камень, который можно было бы использовать в ювелирном деле.

Современность

General Electric впервые синтезировала кристалл ювелирного качества в 1970 году. Чтобы добиться такого результата, ученые использовали пирофиллитовую трубку, которая была засеяна тонкими кусочками алмазов на каждом конце. К этому добавлялись металл-растворитель, высокое давление (5,5 ГПа) и температура более 2000 °C.

Синтезированные алмазы не были прозрачными: оттенок варьировал от желтого до коричневого из-за загрязнения азотом. Из таких образцов могли получаться не слишком ценные и качественные ограненные синтетические алмазы. Кроме того, камни почти всегда были с вкраплениями, особенно если в качестве катализатора использовали никель.

Позже удалось практически полностью удалить азот путем добавления алюминия, и тогда алмазы получались прозрачными. Дальнейшие эксперименты показали, что добавление бора дает камням голубую окраску.

В современных лабораториях можно создавать ограненные синтетические алмазы весом до 5 г и даже больше, но такие образцы используются только в исследовательских целях. Из экономических соображений процесс останавливают, когда камни достигают 200−300 мг.

Другие методы

В 1950-х в США и Советском Союзе начали исследовать способ создания алмазной пленки путем пиролиза углеводородных газов при относительно низкой температуре — 800 °C. При этом не требуется высокого давления. Сверхвысокочастотное излучение создает углеродную плазму над подложкой — на нее осаждаются атомы углерода, образуя алмаз.

Эксперименты американских и советских ученых были воспроизведены во множестве лабораторий и привели к развитию технологии недорогих алмазных покрытий для промышленных и научных целей.

Существуют другие, менее распространенные методы создания ограненных синтетических алмазов — взрывное (формирование детонационных наноалмазов) и ультразвуковое (обработка раствора графита ультразвуком). Взрывной метод используют преимущественно в Китае: с его помощью производят порошок для полировки. Ультразвуковая технология все еще не до конца оптимизирована, поэтому не распространилась широко.

Ограненные синтетические алмазы в ювелирном деле

У ограненных синтетических алмазов есть ряд преимуществ перед бриллиантами:

• Отсутствие вкраплений. Современные методы позволяют создавать идеальные камни — без вкраплений и сколов.

• Цена. Ограненные синтетические алмазы производятся в промышленных масштабах, требуют меньше затрат и не так редки, как природные алмазы. Поэтому они стоят дешевле.

• Большой размер. В природе крупные алмазы попадаются очень редко, а из-за дефектов могут заметно уменьшаться при огранке. Поэтому почти каждый большой бриллиант — коллекционная ценность. Ограненные синтетические алмазы позволяют создавать крупные, но не слишком дорогие образцы.

Несмотря на эти достоинства, ограненные синтетические алмазы не заменяют бриллианты, ведь последние привлекают многовековой историей и уникальностью: невозможно найти два одинаковых драгоценных камня.

Другие сферы применения

В других сферах синтетические алмазы востребованы в большей степени:

• Станки и другие режущие инструменты в медицине и промышленности (алмазное напыление). Это самая широкая область применения кристаллов, где используют их твердость.

• Полупроводниковые технологии. В них используется два свойства материала — высокая теплопроводность при очень низкой электропроводности.

• Оптика для передачи инфракрасного и микроволнового излучения. Это применение возможно благодаря твердости, химической инертности и теплопроводности.

• Защита хрупких материалов и механизмов. Алмазы применяются в фотоаппаратах, часовых механизмах, оптических приборах.

Умение выращивать алмазы в лабораторных условиях — залог развития науки и технологий. Материал обладает невероятно ценными свойствами, а производство камней только наращивает обороты.