Каталог
  

Образование алмазов в природе


Образование кристаллов алмаза в природе

Как известно, алмаз встречен был в природе в довольно многочисленных месторождениях, но в большинстве из них находки его ограничивались отдельными кристалликами. Отдельные кристаллики были найдены в различнейших пунктах Северной Америки, но сколько-нибудь значительные скопления этого минерала известны лишь в Индии, Бразилии, восточной Австралии и Южной Африке. Но среди этих, частью еще теперь разрабатываемых, месторождений только в Южной Африке картина его месторождения для нас более или менее выяснена, тогда как в остальных местностях алмаз встречается в песках, глинах и конгломератах, иначе говоря, уже во вторичном залегании, вероятно, далеко отличном от тех условий, при которых шло его образование.

В Южной Африке наше внимание привлекают огромные воронкообразные углубления, заполненные магнезиально-силикатовой породой — кимберлитом. Эти воронки прорывают не только граниты, но и покрывающие их слои разнообразнейших материковых образований. Колоссальны должны были быть те взрывы, которые сопровождали подъем этих некогда расплавленных магнезиальных пород! Огромные количества скопившихся в них газов и паров воды открывали себе доступ через эти-вулканические жерла — диатремы, как их принято в настоящее время называть, и вслед за ними расплавленная магма, внезапно освободившаяся от огромного давления, которое лежало на ней, подымалась вверх отдельными пароксизмами, то застывая по дороге, то вновь разламывая образовавшуюся кору и захватывая обломки окружающих пород.

Такова картина извержений этих темных пород, подобных базальту.

Много споров и научных догадок делали исследователи по вопросу о том, когда и как образуется в этих магнезиальных породах алмаз. В настоящее время всё более и более выясняется, что его происхождение связано с самой кимберлитовой магмой и что он выкристаллизовался из нее как из сплава еще в глубинах, при больших давлениях.

Кристаллы алмаза переживают вместе с этой расплавленной массой все те геологические процессы, которые она испытывает при своем выходе на поверхность земли.

Но все эти сложные процессы застывания не могли не сказаться на судьбах самих кристалликов алмаза. Сразу понизившееся давление создает условие большей растворимости, при низких давлениях кристаллики алмаза переходят с поверхности в графит, а последний легко растворяется в расплавленной силикатовой магме. Вновь образуется затвердевшая кора в жерле диатремы, вновь повышается давление, и кристаллики, начавшие уже растворяться, вновь начинают расти.

Искусственное получение алмаза

Так сменяются процессы различного характера, и кристаллы алмаза на своей поверхности и в своем внутреннем строении запечатлевают все отдельные моменты затвердевания кимберлитовой магмы.

Таким образом, загадка кристалликов алмаза начинает выясняться, и нам становятся понятными те округлые грани растворения, которые мы описывали на предыдущих страницах.

Нам известен еще другой тип образования алмаза в природе. В метеоритах, состоящих из почти чистого металлического железа, были встречены мельчайшие кристаллы этого минерала. Они также носят следы вторичного растворения, и, очевидно, расплавленный металл при своем охлаждении так же, как в случае силикатовых магм Южной Африки, растворяет те драгоценные кристаллы алмаза, которые выкристаллизовывались из него при более высоких температурах.

Оба только что описанных типа образования алмаза в природе дали мысль исследователям применить их и в лаборатории для искусственного получения.

В классических опытах Муассан еще 20 лет тому назад пытался повторить в электрической печи кристаллизацию алмаза из расплавленных металлов. Его опыты справедливо оспаривались другими исследователями и практического значения иметь не могли, так как получавшиеся кристаллы были очень мелки и извлекались из сплава только путем долгих и сложных химических обработок.

Фридлэндер, Гасслингер и Вольф старались кристаллизовать алмаз из расплавленных силикатов, приближаясь таким образом к природным условиям Южной Африки. Эти опыты увенчались успехом, и из целого ряда силикатовых сплавов ими были получены октаэдрические кристаллы алмаза.

Однако преждевременная смерть Гасслингера при разливе реки Инна в Тироле положила конец блестяще начатым исследованиям чешских ученых.

Оба эти пути, избранные для искусственного воспроизведения алмаза, страдали, однако, значительными недостатками. В обоих случаях приближение к природным условиям было чисто внешним, так как не принималось во внимание то огромное давление, при котором образовались кристаллы алмаза в кимберлите Южной Африки. Между тем, не только сама природа, но и теоретическое изучение полей устойчивости алмаза и графита ставит одним из важнейших условий образования кристалликов алмаза значительное давление.

Несомненно, что опыты Гасслингера должны быть вновь повторены при несколько измененных условиях. Эти условия подсказывает сама природа.

Установление критерия для отличия форм роста от форм растворения дает исследователю в руки средство, благодаря которому он может судить о правильности избранного им пути, так как форма получаемых кристаллов алмаза ясно говорит о том, какие процессы он испытывал в последние моменты своей кристаллизации.

Надо надеяться, что в скором времени проблема искусственного получения алмаза разрешится не только теоретически, но и практически, и исследователи вырвут от природы еще одну столь тщательно оберегаемую ею загадку.

Материал взят из книги Кристаллография алмаза (А.Ё. Ферсман)

studik.net

Происхождение алмаза

Драгоценные камни.

Подробности Из всех драгоценных камней алмазы наиболее широко распространены в природе. Алмазоносные площади занимают обширные области в Африке, и алмазы редко, но равномерно рассеяны в материале, заполняющем «бездонные» ^керла в земной коре на юге этого континента. Они найдены также в Азии, Индии, Южной Америке и в других районах земного шара. Более того, на тех континентах, где алмазы уже найдены, остаются еще значительные пространства,, сулящие новые открытия. Поэтому то обстоятельство, что алмаз сохраняет свое значение в мире ювелирных изделий, может показаться несообразным, так как он нарушает одно из существенных требований, предъявляемых к драгоценному, камню, — редкость. Однако объясняется это весьма просто: добыча алмазов тщательно контролируется, так что уровень цен не подвержен резким колебаниям, а в соответствии с уникальной твердостью и необходимыми затратами труда на его обработку ограненный алмаз не может не быть относительно дорогим. На аллювиальных алмазоносных площадях мира галечники, конгломераты, песчаники, метаморфические сланцы или другие горные породы, из которых извлекают алмазы, как бы разнообразны они ни были, имеют тем не менее одну общую черту — ни одна из этих пород не является материнской для этого драгоценного минерала. В перечисленных примерах в осадок входят алмазы, перенесенные водой, обычно реками или другими потоками, но, возможно, также и морем, и сам этот осадок является продуктом дезинтеграции еще более древних размытых горных пород. Весьма вероятно, что некоторые минералы, ассоциирующиеся с алмазами, имеют общий с ними источник и сопровождали их на всем пути их богатого приключениями путешествия. Несмотря на необычайную твердость, алмазы иногда явно окатаны, что указывает на их перенос на огромное расстояние.Алмазоносные трубки района Кимберли и других районов имеют совсем другой характер и, помимо их значительной промышленной ценности, представляют исключительный научный интерес, так как они проливают свет на происхождение алмазов — проблему, которая долгое время ставила в тупик научный мир.Типичная трубка имеет воронкообразную форму, более или менее овальное поперечное сечение и суживается с глубиной (рис. 119). Площадь поперечного сечения трубки на современной поверхности земли зависит, таким образом, от мощности эродиро.ванных пород. Трубка на руднике «Вильямсон» имеет площадь (на поверхности) 1500x1170 м, а трубка на руднике «Кимберли», до того как обвалы вмещающих пород значительно расширили котлован, имела площадь 260x200 м. Небольшие трубки могут иметьРис. 119, Схематический разрез типичной алмазоносной трубки в районе.в диаметре лишь несколько десятков метров; часть таких трубок располагается иногда вдоль трещин или даек. Синяя земля, за-» полняющая трубки и трещины, явно была привнесена в них с больших глубин, поскольку она не обнаруживает никакой связи с окружающими породами. Глубина выработок на руднике Кимберли достигла почти 1200м, но никаких признаков истощения синей земли пока не отмечено. Однако следует принять во внимание, что эта глубина, как бы велика она нам ни казалась, весьма.мала но сравнению со средним диаметром Земли (около 12 720 км) и представляет лишь маленький «прокол» в поверхностных слоях.Сама синяя земля являлась первоначально изверженной горной породой, богатой оливином (перидотом) и родственной горной породе, известной под названием перидотита, но она подвергалась интенсивному гидротермальному изменению, при котором большая часть оливина превратилась в серпентин. Порода часто испытывала также значительное механическое напряжение и дробилась, так что нередко ее можно описать как серпентиновую брекчию. Карвил Льюис, впервые изучивший синюю землю, назвал ее кимберлитом по названию места, где она была впервые обнаружена. Вкрапленный в кимберлит алмаз показан на цветном фото I. Синий цвет кимберлита указывает на то, что эта порода богата железом; с окислением железа связана желтая окраска кимберлита близ поверхности земли.Вмещающие кимберлит породы изучены до значительных глубин в шахтах, из которых проходились штреки для разработки кимберлита. На руднике «Кимберли» измененные железистые базальты мощностью 60—75 м залегают на черных глинистых сланцах. Ниже вскрыта серия горизонтально залегающих слоев, представленных конгломератами и кварцитами и чередующимися с ними покровами изверженных пород; на глубине около 750 м ниже поверхности выработки вошли в граниты, слагающие кристаллический фундамент. На руднике «Де Бирс» фундамент располагается на меньшей глубине. На этих рудниках, так же как и на многих других рудниках Южной Африки, слои залегают почти горизонтально и не загибаются вверх вблизи трубок. Однако в ряде случаев по мере приближения к стенкам трубки слои могут наклоняться в стороны от нее и в конце концов залегать почти верти-KajfbHO или с обратным наклоном, так что у стенок трубки они могут падать по направлению к последней. Трубки нельзя рассматривать как типичные вулканические пекки, так как, несмотря на многочисленные признаки влияния огромного давления, отсутствуют какие-либо данные о высоких температурах, вызывающих термальный метаморфизм пород, слагающих стенки трубок.Характерной чертой кимберлитов являются включения многочисленных обломков чужеродных пород (ксенолитов), достигаю* щие объема многих тысяч кубических футов. Многие мз них сход* ны с вмещающими трубку породами. Например, на руднике «Кимберли» на ранних стадиях разработки в синей земле находили многочисленные обломки черных углистых сланцев. Была выдвинута теория, согласно которой алмазы образовались при воздействии кимберлитовой магмы на эти обломки, и возникло опасение, что когда выработки пройдут горизонт сланцев, алмазы в них иссякнут. Эта идея вскоре была опровергнута, так как добыча алмазов не прекратилась, а в ряде случаев даже возросла, когда выработки углубились ниже горизонта сланцев; многие трубки оказались пустыми, а на рудниках, где были вскрыты лишь более древнпе породы, лишенные прослоя черных сланцев, добыча не прекращалась. Из большого числа обнаруженных трубок только 1—2% оказались алмазоносными; при этом, содержание алмазов в кимберлите в продуктивных трубках ничтожно — одна часть на несколько миллионов даже на богатых рудниках. Весьма вероятно, что кимберлит в трубках не является тем веществом, в котором росли алмазы, а представляет собой лишь среду, которая транспортировала алмазы к поверхности земли после того, как они кристаллизовались на больших глубинах. Крукс уже давно предположил, что движущим агентом являлась газообразная форма воды — пар, и именно он способствовал перемещению материала, выполняющего трубки, вверх. Характерной чертой продукции^ добываемой из многих трубок как в Южной Африке, так и в Якутии, является высокое содержание расколотых кристаллов и трещиноватых обломков.Естественные кристаллы алмаза часто содержат включения; Полагая, что эти включения могут пролить.свет на генезис алмазов, ученые подвергали их различным исследованиям. Раньше, когда пользовались только оптическими Методами, многие мелкие кристаллические включения описывались как «углистые пятна», так как из-за полного отражения света они кажутся совершенно черными. С помощью рентгеноструктурного анализа и методов электронной микроскопии удалось получить более точные данные; Включения в технических алмазах выделяют для дальнейших исследований, сжигая алмаз. Особый интерес представляют сии-генетичные включения, заключенные в алмаз одновременно с ростом его кристаллов. В алмаз часто включены оливин, богатый форстернтовой составляющей, гранат (пироп или альмандин), хромовая шпинель, энстатит, диопсид, рутил, магнетит. Некоторые включения оливина обнаруживают, по-видимому, признаки плавления, что указывает на образование алмаза в области высокого давления и высокой температуры. Эти значения давления и температуры превышают значения, характерные для стабильного состояния существовавшего ранее оливинаВесь комплекс минералов заставляет предполагать, что в том случае, если эти минералы кристаллизовались из той же магмы, из которой формировались алмазы, материнской алмазоносной породой должна быть разновидность гранатового перидотита или эклогита (гранат-пи^.роксеновая порода с высоким удельным весом, которая, как полагают, слагает глубокие горизонты земной коры или внешние части мантии). Ксенолиты таких пород действительно встречаются в кимберлите, и очень редко в них присутствуют алмазы. Глубина образования алмазоносного эклогита оценивается в 190—555 км. Бесцветные октаэдры алмазов находили в окатанных обломках эклогитов из южноафриканских рудников в начале нынешнего столетия; находки такого рода отмечались и в дальнейшем как в Южной Африке, так и в Якутии.В ряде случаев химизм минералов, включенных в алмаз, указывает на происхождение в условиях, отличных от обычных условий земной поверхности; в частности, об этом свидетельствует чрезвычайная обогащенность их хромом. Содержание хрома в богатых форстеритом оливинах выше, чем в оливинах, встреченных в собственно кимберлите. Хромовые шпинели богаче хромом, чем обычный хромит, и напоминают в этом отношении хромит, присутствующий в некоторых метеоритах. Одна из разновидностей граната представлена хромовым пиропом, содержащим 30% Mg— молекулы, являющейся крайним членом изоморфного рядаЧасто сообщалось о включениях кварца, хотя многие исследователи полагают, что они всегда являются вторичными внедрениями. В то же время недавно с определенностью установили включение в алмазе кремнезема со структурой коэсита — фазы,., образующейся в условиях высокого давления и впервые нолучен-/ ной в результате искусственного синтеза. Интерес представляют также находки алмазов в богатых кремнекислотой горных породах в крупных метеоритных кратерах на поверхности земли, где необходимое высокое давление возникало, вероятно, в результате удара метеорита о поверхность. Это давление могло также вызвать кристаллизацию мельчайших кристалликов алмаза, которые обнаружены в нескольких метеоритах. Глубина, на которой коэсит мог бы образоваться за счет кварца, должна составлять около 100 км.Не только включения, но морфология и внутренние дефекты кристаллов самого алмаза дают ключ к решению проблемы их происхождения, и специалисты в области физики твердого тела уделяют с недавних пор особое внимание этому аспекту исследований. Многие алмазы обнаруживают зональность со слоями, отражающими последовательные стадии роста кристалла и указывающими на изменение условий среды во время этого роста. Отмечаются, например, изменения габитуса кристаллов,/» последовательные зоны могут характеризоваться совершенно различным.доказывал, что образование кристаллов алмаза и их рост происходили в силикатной среде, поднимавшейся с глубины более 120 км и имевшей температуру свыше 1000°С. По-видимому, должно было иметь место значительное перемешивание материала как во время начальной стадии зарождения кристаллов, так и во время более позднего их роста в другихусловиях. Затем часто происходило повышение температуры и частичное растворение образовавшихся кристаллов. В течение конечной стадии движения материала вверх по трубкам кристаллы алмазов находились в нестабильном состоянии; имеются указания на то, что скорость движения алмазоносного материала в трубках достигала 100 км/ч.В связи с проблемой глубины образования алмазов, встречающихся ныне в кимберлитовых трубках, представляет интерес тот хорошо установленный факт, что во многих случаях камни, добытые на различных, даже близрасположенных рудниках, весьма различны. Для южноафриканских рудников эти различия столь отчетливы, что опытные специалисты обычно могут распознать, с какого рудника поступила та или иная партия камней (отдельные камни, конечно, не обладают такими характерными чертами). Исследователи якутских алмазов пришли к выводу, что между типом кимберлита, содержанием в нем алмазов и минералами-спутниками не существует очевидной взаимосвязи.- В некоторых районах геологические взаимоотношения горных пород позволяют в достаточно узких пределах определить время внедрения кимберлита. В Южной Африке это событие датируется приблизительно 100 млн. лет назад, а в Якутии возраст кимберлитов древнее и достигает 200 млн. лет. Прямое определение радиологическими методами возраста эклогитовых и родственных им ксенолитов и ксенокристаллов, заключенных в синей земле, дает для обоих упомянутых регионов значительно более древний возраст — приблизительно около 650 млн. лет. Тем самым подтверждается вывод о том, что этот материал произошел из глубоко залегавших и давно существовавших горных пород и вынесен кимберлитом вверх во время внедрения. Алмазы широко распространенных и промышленно важных аллювиальных месторождений могли далеко переноситься от мест своего коренного залегания. Перенос осуществляется в течение длительного времени (даже с геологической точки зрения) с того момента, как алмазы достигают земной поверхности. Поэтому нельзя ожидать, что каждая алмазоносная площадь обязательно связана с какой-либо известной трубкой, поскольку те трубки, которые служат коренным.источником алмазов данной алмазоносной площади, могут быть скрыты последующим осадконакоплением и ныне могут быть, конечно, погребены под более молодыми породами. Помимо южноафриканских и советских месторождений, алмазоносные трубки известны в Конго и Анголе, в Сьерра-Леоне, Танзании и в других районах земного шара, в частности в Индии (Маджгаон) и в США (Мерфисборо). Там, где сами аллювиальные месторождения имеют древний возраст, как, например, вероятные докембрийские месторождения (древнее 600 млн. лет) Бразилии и Ганы, существует еще большая вероятность того, что первичные источники алмазов погребены или уничтожены

juwelir.info

Где растут алмазы

: 20 Мар 2008 , Эволюция в тени динозавров , том 19, №1

Первые эксперименты по синтезу алмаза в Институте геологии и геофизики СО АН СССР относятся к 1979 г. В результате многолетних исследований к настоящему времени в Институте геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН создана уникальная аппаратура высоких давлений БАРС (Беспрессовый Аппарат Разрезная Сфера) и комплекс оригинальных методов выращивания крупных кристаллов алмаза с заданными свойствами, разработаны экспериментально обоснованные модели генезиса природных алмазов. В ячейке высокого давления крошечный кристаллик алмаза постепенно растет и на седьмые сутки достигает массы 6 карат. Процесс роста идет в расплаве металлов при давлении 60 тыс. атмосфер и температуре 1500 °С. В результате получается алмаз максимально высокого качества, уникальные свойства которого можно использовать в современных устройствах для достижения рекордного уровня параметров приборов твердотельной электроники. Успехи ученых лаборатории процессов минералообразования в условиях высоких давлений ИГМ СО РАН позволили начать работы по практическому применению монокристаллов синтетического алмаза. Весьма актуальным является экспериментальное моделирование процессов природного алмазообразования. Специалисты лаборатории установили, что процессы зарождения и роста алмаза контролируются главным образом содержанием карбонатов, Н2О, СО2 и щелочей в глубинных флюидах и расплавах. Впервые экспериментально доказано, что карбонаты могут быть не только средой кристаллизации, но и источником углерода алмаза...

Алмаз является самым удивительным и таинственным минералом. Он всегда привлекал внимание ученых и постепенно раскрывал свои тайны. Достаточно вспомнить истории о том, как в 1772 г. французский химик Лавуазье на глазах изумленной публики сжег алмаз, доказав, что он состоит из углерода; как в 1913 г. отец и сын Брегги расшифровали структуру этого минерала; как в «голубой земле» Южной Африки были найдены первые алмазы. А еще можно вспомнить о многочисленных попытках получения искусственных кристаллов, об экзотических опытах Муассана, синтезировавшего «алмазы», которые потом оказались карбидами. Конечно, это уже история, а мы поговорим об актуальных проблемах сегодняшней алмазной науки и немножко заглянем в завтра…

Броня крепка…

Анализ существующих методов получения алмаза показывает, что подавляющее большинство из них позволяет реализовать лишь синтез алмазной фазы в кратковременных процессах спонтанной кристаллизации. Одним из основных методов, обеспечивающих выращивание достаточно крупных монокристаллов, является метод температурного градиента, в котором алмаз растет из раствора углерода в расплаве металлов. Этот метод реализуется при давлениях 50—60 тыс. атмосфер в диапазоне температур 1400—1600 °С. Следовательно, для выращивания крупных кристаллов алмаза нужна прежде всего аппаратура, способная создавать такие условия.

Лидеры в данной области – корпорации Де Бирс, Сумитомо Электрик Индастриз и Дженерал Электрик используют для получения алмаза аппараты Belt, оснащенные мощным прессовым оборудованием массой до 200 т. В нашей стране аппаратуры такого класса не было.

В 1970-х гг. в Институте геологии и геофизики СО АН СССР по инициативе д. г. -м. н. профессора А. А. Годовикова и к. г. -м. н. И. Ю. Малиновского начались работы по созданию аппаратов высокого давления. Здесь уместно сделать отступление и сказать, что в это время бриллианты из первых крупных кристаллов синтетического алмаза, полученных учеными из Дженерал Электрик, уже были подарены английской королеве. В 1978 г. мы начали работы по тематике, связанной с синтезом алмазов. А в 1979 г. уже получили первые алмазы! Очень мелкие и черные. Посмотреть на первые алмазы приходили из всех лабораторий. Коллеги из европейской части страны нашей радости не понимали и говорили обидные слова про изобретение велосипеда и его квадратные колеса. Время шло, заводы тоннами производили алмазные порошки по «скорострельным» технологиям. Наши конструкторы Э. Н. Ран, Я. И. Шурин и В. Н. Чертаков под руководством И. Ю. Малиновского делали все новые и новые аппараты, а мы старались научить эти установки работать и учились сами.

В стране по-прежнему не было крупных синтетических алмазов. Лишь к концу 1980-х гг. в Новосибирске был создан многопуансонный аппарат «разрезная сфера», на котором впервые в России мы получили крупные кристаллы синтетического алмаза ювелирного качества массой до 1,5 карат (Пальянов и др., 1990). Для получения крупных кристаллов алмаза нужно было не только создать высокие давления и температуру, но и поддерживать эти параметры постоянными в течение нескольких дней и даже управлять при таких условиях сложнейшими процессами роста кристаллов.

В результате совместных исследований с сотрудниками Американского геммологического института (The Gemological Institute of America) в авторитетном международном журнале Gems & Gemology появилась статья с многозначным названием: «Геммологические свойства русских кристаллов синтетического алмаза ювелирного качества» (Shigley et al., 1993). После аттестации новосибирских кристаллов в ведущих научных центрах разработанная аппаратура и комплекс технологий были признаны и получили в зарубежной литературе соответствующие названия: БАРС-аппаратура, БАРС-технологии и БАРС-кристаллы. БАРС – это беспрессовый аппарат разрезная сфера.

Три тонны высококачественной специальной стали в каждой установке высокого давления – это наша броня, которая действительно крепка. За созданием современных БАРСов стоит огромный труд десятков сотрудников института, которые в разные годы внесли свой посильный вклад в эту разработку. Исследования в области создания синтетических алмазов неизменно поддерживались академиками Н. Л. Добрецовым и Н. В. Соболевым.

Современный БАРС совсем не похож на другие установки высокого давления. Он открывается подобно гигантской ракушке, а внутри, как жемчужина, расположен стальной шар диаметром 300 мм. Шар симметрично разрезан на одинаковые сегменты. Представьте, что вы разрезали арбуз на восемь равных частей. Получились такие трехгранные пирамидки со сферическим основанием. Теперь положили их на стол коркой вниз и срезали параллельно столу самое вкусное. Получили сегменты (или пуансоны) первой ступени.

Если вы снова соберете эти сегменты в сферу, то внутри нее получится полость в форме октаэдра. В этой полости расположены пуансоны из карбида вольфрама (твердый сплав или победит) – только этот материал выдерживает огромные давления. Шесть пуансонов второй ступени собираются в форме октаэдра, внутри размещается ячейка высокого давления. Именно в ней происходят таинственные процессы зарождения и роста кристаллов алмаза. При достижении необходимых температуры и давления углерод, находящийся в наиболее горячей зоне (исходно это графит), растворяется в расплаве металлов и транспортируется в более холодную зону, куда помещен маленький затравочный кристаллик алмаза, который постепенно растет и на четвертые сутки достигает двух карат. Конечно, это только в том случае, если вы все сделали правильно.

Алмазы бывают разные

Хорошо известно, что алмаз имеет высочайшую твердость, которая обеспечивает традиционное его использование в технике. Но алмаз, кроме того, обладает и другими уникальными свойствами. Это ковалентный широкозонный полупроводник с теплопроводностью, в пять раз превышающей теплопроводность меди. Его характеризует высокая подвижность носителей тока, химическая, термическая и радиационная стойкость, а также способность легироваться электрически активными примесями. Мы привыкли к тому, что само слово «алмаз» автоматически подразумевает полезность всего, что с ним связано. И это совершенно справедливо.

Однако реальная картина выглядит гораздо сложнее и интереснее. Нас прежде всего интересует максимально высокий уровень качества, который условно назовем приборным. Именно на этом уровне алмаз должен проявить себя в современных приборах и устройствах как монокристалл, обладающий уникальными свойствами. Современная микроэлектроника на базе германия и кремния использует практически предельные возможности этих материалов. Поскольку алмаз является последним в ряду полупроводников с алмазным типом структуры, то именно он рассматривается как материал, на котором может быть достигнут рекордный уровень параметров приборов твердотельной электроники.

Массированный характер инвестиций в «алмазные» проекты за рубежом привел к впечатляющим результатам, однако эпоха широкого применения алмаза в высокотехнологических областях науки и техники пока еще не наступила. Одной из сдерживающих причин эксперты считают недостаточное качество как природных, так и синтетических алмазов. Уже давно ясно, что, даже лучшие из природных алмазов крайне неоднородны по дефектно-примесному составу и, соответственно, различны по свойствам.

Следовательно, задачи выращивания крупных высококачественных монокристаллов алмаза, исследование их реальной структуры и свойств весьма актуальны, поскольку в итоге направлены на получение алмазов с заданными свойствами для высокотехнологических применений. Следует подчеркнуть, что в таких индустриально развитых странах, как США и Япония, исследования и разработки по этому направлению проводятся в рамках крупных национальных программ. Да и у нас в стране ситуация в этой области постепенно улучшается.

О полезных и вредных дефектах… и немного о радуге

Итак, современной науке и технике нужны высококачественные кристаллы алмаза с различными полезными свойствами. Задача непростая, если учитывать наличие дефектов в кристаллах.

Дефектов много, они разные и условно делятся на две группы: «вредные» и «полезные». Например, включения – частички среды кристаллизации, которые кристалл захватил в процессе роста, дислокации – линейные нарушения структуры и планарные дефекты – микродвойники и дефекты упаковки. Это дефекты первой группы. Желательно, чтобы их в кристалле было как можно меньше или не было совсем.

Другая группа – это примесные и собственные дефекты, или дефектно-примесные центры. Это «полезные» дефекты, поскольку именно они определяют многие свойства кристаллов. Важно понять, какие центры отвечают за то или иное свойство, а затем создать в кристалле нужную концентрацию этих центров.

Задача сложнейшая, учитывая, что процесс роста кристаллов алмаза идет при давлении 60 тыс. атм. и температуре 1500 °С. Тем не менее мы уже научились получать кристаллы без включений, минимизировать плотность дислокаций и дефектов упаковки.

Высококачественный кристалл синтетического алмаза желтого цвета. Почему? Такое свойство обеспечивается примесью азота: достаточно 10—20 атомов азота на миллион атомов углерода. Азот «внедряется» из воздуха, который адсорбируется на исходных реактивах, и этого достаточно, чтобы 100 атомов углерода из миллиона были замещены атомами азота, а кристалл приобрел насыщенный желтый цвет. Но ведь природные алмазы бесцветны, хотя содержание примеси азота в них, как правило, на порядок выше, чем в синтетических. И снова вопрос – почему?

В зависимости от концентрации бора кристаллы будут голубые, синие или даже черные

Дело в том, что атомы азота могут образовывать в алмазе различные центры и, соответственно, свойства кристаллов будут изменяться, в том числе и их цветовые характеристики. Подробнее о строении многочисленных примесных центров в структуре алмаза можно прочитать в замечательной книге к. ф. -м. н. Е. В. Соболева «Тверже алмаза» (Соболев, 1989). А нам нужно разобраться, в каких условиях образуются те или иные центры, и только тогда можно будет получить кристаллы с заданными свойствами.

Добавим в среду кристаллизации титан, алюминий или цирконий. Это геттеры, они соединятся с азотом, и мы получим бесцветные алмазы. Это будут кристаллы не просто бесцветные, а безазотные. Именно такие кристаллы обладают наивысшей теплопроводностью (до 2000 Вт/ (м•К)). Но среди природных алмазов безазотные кристаллы встречаются очень редко и далеко не в каждом месторождении.

Теперь в среду кристаллизации, содержащую геттеры, добавим бор. (В лабораторных условиях бор легко входит в структуру алмаза, когда нет азота.) В зависимости от концентрации бора кристаллы получатся голубого, синего или даже черного цвета. Такой алмаз является полупроводником с p-типом проводимости. В природе они встречаются еще реже, чем безазотные, а в отечественных месторождениях вообще не обнаружены.

Комплексные исследования процессов роста кристаллов алмаза и изучение их реальной структуры и свойств позволяют сегодня не только воспроизвести основные типы кристаллов, существующие в природе, но и получить алмазы с новыми свойствами, аналогов которым в природе не существует.

Например, в плане создания перспективной «алмазной электроники» чрезвычайно актуальна проблема получения кристаллов алмаза, легированных электрически активными примесями. Мы уже говорили о легировании алмаза бором и получении полупроводниковых алмазов с р-типом проводимости. Вместе с тем для применения алмазов в микроэлектронике необходимо решение ряда принципиальных проблем, одной из которых является получение полупроводниковых алмазов с n-типом проводимости.

Примеси фосфора или серы способны, в принципе, образовывать донорные центры в алмазе и давать n-тип. Однако «загнать» их в структуру алмаза очень непросто. Для этого нужно взять в качестве растворителей расплавы фосфора или серы. Кристаллы, полученные в расплаве фосфора, пока очень мелкие – первые сотни микрон. Зато цвет их – фиолетовый! Инфракрасная (ИК)-спектроскопия подтверждает, что фосфор вошел в структуру алмаза. Так что первый шаг сделан и в этом направлении.

Управлять свойствами алмаза можно не только в процессе роста. Так, с помощью тех же аппаратов БАРС в лаборатории разработаны методы термобарической обработки алмазов, направленные на изменение их реальной структуры и физических свойств. Фактически это отжиг при высоком давлении, однако условия такого отжига реализуются при рекордных параметрах – давлении 80 тыс. атмосфер и температуре до 2500 °С. Оказывается, что в таких условиях происходит не только трансформация дефектно-примесной структуры алмаза (например, агрегация одиночных атомов азота в пары и другие более сложные центры), но и аннигиляция более крупных неоднородностей структуры (например, дефектов упаковки).

Берем коричневые кристаллы алмаза, содержащие азот в форме одиночных замещающих атомов (С-центры); подвергаем воздействию нужной температуры и давления. Атомы азота должны образовать пары (А-центры), а алмазы – обесцветиться.Однако после экспериментов кристаллы стали не бесцветными, как ожидалось, а зеленоватыми. На ИК-спектрах действительно наблюдаются структуры, соответствующие А-центрам. Зеленый оттенок – это проявление никель-азотных центров. Алмаз растет из раствора углерода в расплаве железа и никеля. Оказывается, что никель тоже способен встраиваться в структуру алмаза и образовывать различные никель-азотные центры.

Так что отжиг под давлением оказался удачным методом воздействия на алмазы. Это направление успешно развивает к. г. -м. н. А.А. Калинин. Именно после его экспериментов по отжигу и облагораживанию природных алмазов с коричневой окраской многие увлеклись улучшением цветовых характеристик природных алмазов, забывая иногда указать в сертификате, что камень подвергался искусственным воздействиям.

В названии данного раздела речь шла о радуге. Оранжевые, желтые, зеленые, синие и фиолетовые алмазы уже были. Какие еще цвета остались? Красный. Берем исходный кристалл с небольшой концентрацией С-центров, облучаем электронами – создаем вакансионные центры и затем нагреваем до 200 °С. Получаем удивительный цвет … морской волны. Нагреваем тот же кристалл до 1000 °С в защитной атмосфере – получаем пурпурно-красный. Вот теперь в алмазной радуге есть все цвета.

Перспективы применения

В 1980-х гг. исследования по физике алмаза были невероятно популярны. Отдельные лаборатории и даже целые институты занимались алмазными проблемами; проходили регулярные всесоюзные алмазные конференции. Но в стране не было синтезировано кристаллов алмаза крупнее одного миллиметра. Всем нужны были хорошие крупные кристаллы, но уровень развития техники и технологий не позволял их выращивать. Сегодня совсем другая ситуация: через кристалл синтетического алмаза, полученный в нашей лаборатории, можно смотреть на соседний институт и прилегающие к нему территории. Значит, есть все основания для кооперации со специалистами из различных отраслей знаний, чтобы начать работы по применению монокристаллов синтетического алмаза в высокотехнологических сферах науки и техники.

Одно из перспективных направлений применения синтетического алмаза связано с рентгеновской оптикой. В этом смысле алмаз обладает рядом преимуществ: высокой теплопроводностью, прозрачностью в рентгеновском диапазоне и низким коэффициентом термического расширения

Основные направления проводимых исследований связаны с наиболее перспективными областями науки и техники, где использование алмаза вместо традиционных материалов позволит решить ряд проблем принципиального характера. Потенциальных областей применения у алмаза очень много, ограничимся лишь теми, где уже есть конкретные заделы. Так, из высококачественных кристаллов синтетического алмаза, полученных в нашей лаборатории, изготовлены алмазные наковальни, элементы рентгеновской оптики и детекторов ионизирующих излучений. Все эти изделия прошли успешные испытания в ведущих специализированных научных центрах.

Как там в недрах?

В науках о Земле алмаз рассматривается прежде всего как индикатор сверхглубинных геологических процессов (Добрецов и др., 2001). Во все времена происхождение природных алмазов было загадкой. Да и сегодня этот вопрос остается предметом очень бурных дискуссий, особенно на больших специализированных научных форумах.

Одно из важных направлений – применение алмаза для регистрации рентгеновского и гамма-излучений в радиологии и медицине. Здесь алмаз обладает такими достоинствами, как тканеэквивалентность, химическая стабильность, нетоксичность и малый размер детектора

Условия образования алмаза в мантии Земли большинство ученых оценивают следующим образом: давление порядка 50—60 тыс. атм., температура примерно 1000—1400 °С. Поэтому, если на вопрос: «Как там в недрах?», – вы ответите, что очень тесно и очень жарко, то, в принципе, не ошибетесь, хотя и сильно приукрасите существующие там условия.

Если по поводу температур и давления, необходимых для образования алмаза, у большинства специалистов нет существенных разногласий, то относительно состава среды кристаллизации и источника углерода ясности нет. Как говорится в таких случаях – вопрос дискуссионный. Подсказку дает сам природный алмаз. Этот сверхпрочный кристалл является уникальным контейнером, захватившим в процессе роста вещество мантии в виде включений. Минеральные включения в алмазах представлены в основном силикатами (гранат, оливин, пироксен) и сульфидами (пирротин, пентландит). Логично предположить, что алмаз кристаллизовался в силикатных или сульфидных расплавах. А может быть, в карбонатах? Ведь карбонаты тоже иногда встречаются в качестве включений в алмазах.

Начиная с работы академика В.С. Соболева (Соболев, 1960), проблема происхождения алмазов в природе обсуждается вместе с проблемой искусственного получения этого минерала. В 70-х гг. прошлого века, когда в лабораторных условиях уже научились создавать высокое давление и температуру (и, более того, умели получать алмазы, используя в качестве растворителей расплавы железа, никеля и кобальта), экспериментаторы решили помочь геологам разобраться в том, как же алмаз образуется в природе.

Классики в области высоких давлений работали аккуратно и честно. Поставили эксперименты в различных по составу расплавах; параметры – температуру, давление и длительность – выбрали такие же, как и в экспериментах с расплавами металлов, где заведомо получался алмаз. Не забыли положить и графит. Надавили, нагрели, проанализировали – нет алмаза! Повторили – опять нет. Проверили разные среды – снова алмаза нет! А что есть? Есть только метастабильный графит, образованный в области термодинамической стабильности алмаза.

Значит, углерод в этих средах при данных условиях растворяется – сказали классики и были абсолютно правы. Но нужно было сделать и следующий шаг: ответить на вопрос, почему так происходит? Экспериментаторы пришли к выводу, что есть две группы растворителей углерода: алмаз-продуцирующие и… (что делать) графит-продуцирующие. Тех, кто занимался технологическими проблемами синтеза алмаза, такое объяснение вполне устроило. А вот геологов – нет. Почему? Да потому, что алмаз в природе находится в основном в кимберлитах (карбонатно-силикатных породах), да и включения в алмазах, как уже отмечалось, состоят преимущественно из силикатов, оксидов и сульфидов.

«Не будем нервничать, – сказали экспериментаторы, – вот вам модель образования алмаза в природе… из расплава железа и никеля. Ведь сами говорили, что где-то там, в ядре Земли есть расплав металлов… и состав подходит, а главное – алмазы образуются». В общем, огорчились и те и другие, и продолжили заниматься каждый своим делом: одни – синтезировать алмазы, другие – искать их в природе. Говоря современным языком, на том этапе «интеграции» не получилось.

Тем не менее успехи были весьма значительные. Одно только открытие микроалмазов в гранатах и цирконах метаморфических пород Кокчетавского массива чего стоит (Sobolev, Shatsky, 1990). Экспериментаторы тоже не сидели сложа руки. Проблемой синтеза алмаза в неметаллических расплавах заинтересовались в Японии. Появились сообщения о кристаллизации алмаза в расплавах карбонатов при давлении 75 тыс. атм. и температуре около 2000 °С.

«Интересно, – сказали геологи, – но Р—Т-параметры (давление-температура) слишком высоки для природных процессов». К проблеме подключились научные коллективы из Англии, США, России (Черноголовка и Новосибирск), однако каждый пошел своим путем.

Учитывая, что одним из важнейших геологических факторов является время, мы снизили параметры и увеличили продолжительность экспериментов до нескольких часов. Алмаза нет. Еще увеличили длительность – и вот он, алмаз! И температура «всего» 1700 °С. «Температура выше, чем в природе», – сказали геологи. Что делать дальше? Добавили воды и еще увеличили длительность. Процесс кристаллизации алмаза пошел активнее. Да и состав в общем-то подходящий – щелочной карбонат, h3O и СО2 (микровключения подобного состава все чаще и чаще стали находить в природных алмазах). Еще снизили давление и температуру, а время увеличили до 100 часов. И снова – алмаз! При давлении 57 тыс. атм. и температуре всего 1150 °С. Ура! Параметры как природные, и даже ниже, чем в металл-углеродных системах. Это был результат, достойный Nature, даже с учетом всех строгостей самого авторитетного в мире научного журнала (Pal’yanov et al., 1999).

Об алмазе – самом загадочном минерале на Земле – читайте также в статье чл.-корр. РАН Н. П. Похиленко «Алмазный путь длиною в 3 миллиарда лет» («Наука из первых рук», №4, 2007 г.)

Конечно, в природе все сложнее, чем в лаборатории (Похиленко, 2007). Экспериментальными исследованиями по карбонат-силикатным взаимодействиям нам удалось доказать, что карбонаты могут быть не только средой кристаллизации, но и источником углерода алмаза (Pal’yanov et al., 2002). В результате в модельных системах удалось создать условия для совместной кристаллизации алмаза и других мантийных минералов, таких как пироп, оливин, пироксен и коэсит (Pal’yanov et al., 2005).

Наука не стоит на месте. Появляются новые данные о составе микро- и даже нановключений в природных алмазах. В таких включениях были обнаружены не только карбонаты, но также и хлориды и еще масса всякой «экзотики». Возникают новые и новые модели образования алмаза. Нужно детально все проверить и разобраться в механизмах кристаллизации алмаза (Pal’yanov et al., 2007).

Наша история о том, где растут алмазы подходит к концу, а история применения алмаза в высокотехнологических областях науки и техники только начинается. Да и в геологической науке осталось еще много загадок, связанных с происхождением этих великолепных кристаллов.

Литература

Добрецов Н. Л., Кирдяшкин А. Г., Кирдяшкин А. А. Глубинная геодинамика. Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «Гео», 2001, 2-е изд., 409 с.

Пальянов Ю. Н., Малиновский И. Ю., Борздов Ю. М., Хохряков А. Ф., Чепуров А. И., Годовиков А. А., Соболев Н. В. Выращивание крупных кристаллов алмаза на беспрессовых аппаратах типа «разрезная сфера» // Докл. АН СССР. 1990. Т. 315. №5. С.1221—1224.

Похиленко Н. П. Алмазный путь длиною в три миллиарда лет. // Наука из первых рук. 2007. № 4 (16). С. 28—39.

Соболев Е. В. . Тверже алмаза. Новосибирск: Наука, 1989. 190 с.

Соболев В. С. Условия образования месторождений алмазов // Геология и геофизика. 1960. № 1. С. 7—22.

Pal’yanov Yu. N., Sokol A. G., Borzdov Yu. M., Khokhryakov A. F., Sobolev N. V. Diamond formation from mantle carbonate fluids // Nature. V. 400. 29 July 1999. P. 417—418

Pal’yanov Yu. N., Sokol A. G., Borzdov Yu. M., Khokhryakov A. F., Sobolev N. V. Diamond formation through carbonate-silicate interaction // Amer. Mineral. 2002. V. 87. №7. P. 1009—1013

Pal’yanov Yu. N., Sokol A. G., Tomilenko A. A., Sobolev N. V. Conditions of diamond formation through carbonate-silicate interaction. Eur. J. Mineralogy. 2005. V. 17. P. 207—214

Palyanov Yu. N., Shatsky V. S., Sobolev N. V., Sokol A. G. The role of mantle ultrapotassic fluids in diamond formation // roc. Nat. Acad. Sci. USA. 2007. V. 104. P. 9122—9127

Shigley J. E., Fritsch E., Koivula J. I., Sobolev N. V., Malinovsky I. Yu., Pal’yanov Yu. N. The gemological properties of Russian gem-quality synthetic yellow diamonds // Gems & Gemology. 1993. V. 29. P. 228—248

Sobolev N. V., Shatsky V. S. Diamond inclusions in garnets from metamorphic rocks // Nature. 1990. V. 343. P. 742—746

Автор и редакция благодарят А. Ф. Хохрякова, А. Ю. Могилеву, А. Г. Сокола, Т. В. Молявину и И. Н. Куприянова за помощь в подготовке статьи и иллюстративного материала

: 20 Мар 2008 , Эволюция в тени динозавров , том 19, №1

scfh.ru

Алмазы в природе: основные месторождения

В последние годы все чаще стали поговаривать о том, что скоро синтезированные алмазы полностью заменят натуральные: и те, что используются в промышленности, и те, что — в ювелирном деле. Залежи алмазов на планете, конечно же, когда-нибудь будут исчерпаны, но пока еще их продолжают добывать в большом количестве в России, Африке, а также на территории Канады, Австралии и некоторых других государств. Так что крупнейшие компании пока ориентированы на изготовление инструмента на основе природного алмаза. Сверление отверстий в бетоне и прочие сложные операции в сфере строительства, реконструкции и демонтажа проводятся именно с привлечением такого инструмента.

Как формируются алмазы

Далеко не в каждой точке мира можно отыскать алмазные залежи, хотя россыпи этого минерала в небольшом объеме встречаются повсеместно (кроме разве что покрытых льдом пространств Антарктиды). Их месторождения напрямую связаны с местом выхода на поверхность земли лампроитовых и кемберлитовых трубок, находящихся в пределах кратонов, древних платформ планеты, образовавшихся еще в период Кембрия. Сам феномен кемберлитовой трубки был открыт сравнительно недавно, в XIX в., а до этого времени считалось, что алмазы образуются исключительно в илистых отложениях.

Ученые придерживаются различных теорий по поводу образования природных алмазов. Больше всего сторонников у мантийной (иначе магматической). Согласно ей, находящие в глубинных слоях мантии (порядка 200 км. и больше) атомы углерода подвергаются сильнейшему давлению (до 50 000 атмосфер), что приводит к формированию из них кристаллической кубической решетки, то есть алмазной структуры. Как же «готовые» камни оказываются у поверхности? Этому способствует постоянное движение слоев магмы, часть которых нагревается интенсивнее и поднимается выше. Места выхода вулканической магмы на поверхность получили название «трубки взрыва». В локациях, расположенных близко и вокруг них, и находят алмазы.

По другой версии, сверхтвердый прозрачный минерал — это космический гость (теория импактного происхождения). Прилетающие метеориты или астероиды с огромной силой ударяются о поверхность планеты, взрывная волна от столкновения проносится по ахейским залежам графита. Результатом этого процесса становится метаморфизм пород. Алмазов импактной природы много на севере Сибири, в Попигайском Кратере, в Якутии, а также в Казахстане (участки Кокчетавского массива, Кумдыкульское месторождение). На названных территориях находят столько алмазов, что многие считают эти места чудесном подарком матери-Земли и не верят в то, что богатство недр когда-нибудь иссякнет.

Крупные алмазы идут на нужды ювелирного дела, активно используются для создания режущих и бурильных инструментов. Ну а более мелкие, в частности импактные, диаметр которых не превышает 1 мм., востребованы только промышленностью, так как для изготовления украшений они слишком маленькие.

www.slom.ru


Смотрите также