Каталог
  

Сообщение история получения искусственных алмазов


История создания искусственных драгоценных камней

 С тех самых пор, как человек оценил удивительные свойства природных минералов, одни из них стали предметами роскоши, другие заняли место в быту и ритуалах. Востребованность драгоценных природных камней при небольших объемах добывания из недр земли сделало их дорогостоящими. Поэтому вопрос создания искусственных заменителей, которые могли бы удовлетворить спрос, активно разрабатывался уже в предыдущие столетия. Мощным двигателем развития в этом направлении стало и желание мошенников продать под видом дорогих камней дешевые подделки.

Истоки желания человека созидать камни, равноценные сотворенным природными силами, найдены в алхимии. В IV веке до н. э. алхимики искали магические формулы для изготовление искусственных драгоценных камней. А вот, к примеру, искусственный жемчуг был найден среди давних археологических находок китайской цивилизации. Реальные научные результаты были получены в середине XIX века. Марк Годэн, химик из Франции, в 1857 году явил миру первый неприродным путем созданный камень – рубин. Следующим появился искусственный изумруд. Затем изготовление камней для ювелирных дел стало развиваться успешнее, и уже в XX веке оно было налажено в полноценном производственном масштабе.

Так человеку открылась еще одна тайна природы – он сумел своими средствами создавать искусственные минералы. По своему составу искусственные заменители природных камней приближаются к натуральным на 100%. Отличить природный от искусственного неспециалисту практически невозможно. Да и профессионального взгляда в отдельных случаях может быть мало без лабораторного спектрального анализа.

Заводя речь об отличиях природных и искусственных камней, отметим, что у последних структура ближе к идеальной. В природных часто встречаются разные вкрапления, большие или меньшие трещинки на поверхности. Это – нормальное их свойство, но может служить лишь относительным признаком природного происхождения. Такие дефекты могут присутствовать и в искусственных самоцветах. Кроме того помутневшие участки и круглые пузырьки воздуха присущи только искусственным камням.

Появление большого количества искусственных камней на ювелирном рынке пошатнуло устоявшиеся цены. На некоторое время стало гораздо проще приобрести даже настоящие рубины, понизилась стоимость натуральных сапфиров и изумрудов. Однако очень скоро после этого ювелиры научились с помощью оптического оборудования выявлять искусственные камни. Так ситуация вновь урегулировалась. На сегодняшний момент в лабораториях создаются практически все драгоценные камни. Кристаллы искусственных минералов широко используются в электронной и других отраслях промышленности. Изготовление искусственных камней сегодня может вестись тоннами. Однако так может быть пока что не со всеми минералами. С алмазами науке пришлось потрудиться больше всего.

История создания искусственного алмаза

Исаак Ньютон предположил, что алмаз, даже при том, что является наиболее твердым минералом на планете, подвергается горению. Поскольку было известно, что алмаз создается после сложных превращений из привычного для нас графита, то была выдвинута гипотеза о возможности обратного процесса. Экспериментальными исследованиями данной гипотезы занялась Флорентийская академия наук. Так было выяснено, что при 1100 градусах по Цельсию алмаз сначала превращается в графит, а затем сгорает.

В 30-х годах XX века Овсей Лейпунский в результате собственных исследований и сложных расчетов выяснил условия, при которых можно вырастить искусственный алмаз. Так, давление должно составлять более 4,5 ГПа, а температура – 1227 градусов по Цельсию. При этом процесс должен происходить в сложной среде – расплавленном металле. Только через два десятка лет попытка создания искусственного алмаза увенчалась успехом. Но первые алмазы были пригодны лишь для технических целей. Создание искусственных алмазов требует серьезных технических средств, что делает процесс дорогостоящим. Выяснено, что искусственный и натуральный алмазы имеют отличия в приписываемых магических свойствах.

Искусственные алмазы ближе к группе кварцевых минералов, если рядом положить натуральный и искусственный алмаз, то последний поблекнет. Магические свойства искусственных минералов значительно слабее, поэтому «знакомить» натуральный камень с искусственным следует осторожно. Только через несколько суток обмена информацией на расстоянии через перегородку (из бумаги, например) камни смогут «ужиться» вместе.

Искусственные изумруды

Еще одно недешевое удовольствие – искусственные изумруды. Сегодня для их создания используется дорогостоящий гидротермальный метод. Довольно долго изумруды производились только в лаборатории Керола Четмена в Сан-Франциско. Сегодня уже несколько компаний в мире пользуются таким методом и создают искусственные изумруды.

Хрупкость искусственных камней такая же, как и у природных. Однако в их структуре нет (или практически нет) трещинок и прочих дефектов, присущих природным камням, поэтому созданные лабораторным путем изумруды долговечнее.

Технология создания искусственного изумруда совершенствуется, однако остается очень дорогостоящей. Поэтому гидротермальные камни только немного дешевле природных. Также они устойчивы к воздействию кислот, нагреванию, ультрафиолетовому воздействию. Цвет искусственных изумрудов идентичен натуральному.

Культивированный жемчуг – древняя технология

Китайцы хранили секрет создания искусственных жемчугов очень долго. Но в 1890 году древняя технология таки стала известна японцам, которые поставили изготовление жемчуга на промышленное производство.Древняя технология выращивания жемчуга предполагает долгий процесс нарастания перламутра вокруг небольшого зернышка перламутра, вручную помещенного сначала в кусочек жировой ткани одного моллюска, а затем в мантию другого. Процесс выращиванию жемчуга таким способом кропотлив, поэтому технологии совершенствовались и упрощались процессы. Именно так появилось понятие культивации жемчуга.

Наименьший размер культивированной жемчужины – как булавочная головка, а наибольший – с голубиное яйцо. Форма имеет особое значение: высоко ценится круглая, максимально приближенна к идеалу. Также жемчуг может иметь каплевидную форму и напоминающую пуговицу. Стоимость культивированного жемчуга, а, следовательно, и изделий из него, меньшая, нежели у природного, что делает его более доступным в ценовом плане.

Что касается всех искусственных драгоценных камней, то нужно помнить: это – не подделки, а попытка человека заменить ограниченные труднодобываемые природные ресурсы творениями науки. Поэтому искусственные камни занимают отдельное и, несомненно, достойное место в ювелирном мире.

Похожие статьи

znaytovar.ru

Реферат: Производство искусственных алмазов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УО «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра технологии важнейших отраслей промышленности

Индивидуальное задание

на тему: Производство искусственных алмазов

Минск 2006

Содержание

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

Реферат

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.

Глава 1. Природные алмазы

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. [1]

1.2 Природные месторождения

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. [2] 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.

1.3 Цена бриллианта

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.

Глава 2. Развитие технологии производства алмазов

2.1 Необходимость промышленного производства алмазов

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.

Вместе с тем природные алмазы не могут полностью удовлетворить потребности науки, техники и промышленности. Например, инструментальной, металло- и камнеобрабатывающей отраслям нужно примерно в 4 раза больше алмазов, чем их добывается из земли. А в ряде высокотехнологичных областей — при изготовлении оптических окон, элементов пассивной и активной электроники, датчиков ультрафиолетового и ионизирующего излучения природное сырье зачастую использовать нельзя.

В первую очередь это связано с тем, что разброс физических свойств природных кристаллов алмаза очень широк — и это во многом исключает возможность их применения в серийных изделиях и приборах, чувствительных к свойствам используемого материала.

Другой проблемой является то, что подавляющее большинство природных кристаллов алмаза (примерно 98%) содержит в качестве примеси азот (1 атом азота на 1 000— 100 000 атомов углерода), наличие которого сказывается на свойствах алмаза. Проблемой является также несовершенство кристаллической структуры добываемых кристаллов и неравномерного распределения примесей. [3]

2.2 Этапы развития

Всегда существовала необходимость получить алмаз лабораторным способом, и, желательно, недорогим.

Первые документально зафиксированные опыты над алмазами относятся к 1694 году. Флорентийские ученые Аверани и Тарджиони продемонстрировали с помощью зажигательного стекла, что алмаз горит, если его нагреть до достаточно высокой температуры. На протяжении последующих веков велись непрерывные эксперименты по исследованию самого прочного в мире минерала (И. Ньютон, А. Лавуазье, С. Теннант, Х. Дэви, М. Фарадей, Г. Розе), после которых стало ясно, что «величайшая драгоценность» в химическом отношении полностью аналогична графиту, углю и саже. Экспериментаторы, разумеется, пытались получить эту «драгоценность» из указанных веществ (В. Каразин, Б. Хэнней, К. Хрущов, А. Муассан). Однако по причине почти полного отсутствия информации о физико-химических свойствах алмаза и графита и несовершенства техники того времени цель так и не была достигнута.

Лишь в 1939 году молодой сотрудник Института химической физики АН СССР Овсей Лейпунский выполнил расчет линии равновесия графит-алмаз. Эта работа впервые обозначила возможные способы промышленного получения камня. Лейпунский рассчитал оценочные значения давления и температуры, необходимые для осуществления превращения графита в алмаз. Впоследствии его расчеты были несколько уточнены и подтверждены экспериментально.

Следующим этапом на пути к решению проблемы получения алмаза явилась разработка аппаратуры, обеспечивающей создание и поддержание в течение длительного интервала времени необходимых высоких давлений и температур.

Большой вклад в развитие техники высоких давлений был внесен Нобелевским лауреатом Перси Бриджменом, разработавшим принципы действия аппаратов высокого давления. [4]

2.3 Метод температурного градиента

Многолетние усилия ученых и конструкторов завершились в 1953— 1954 годах успешными опытами по выращиванию алмаза. Успеха добились исследовательские группы компаний ASEA (Швеция) и General Electric (США). Полученные образцы были очень далеки от совершенства и имели размер менее 1 мм.

Шведы и американцы использовали схожие технологии — графит в смеси с металлом (растворителем углерода) помещался в твердую сжимаемую среду. Необходимое давление (70000—80000 атмосфер) создавалось мощным гидравлическим оборудованием. Нагрев осуществлялся до температур 1 600—2500°С в течение двух минут.

Кристаллизация алмазов происходила за счет того, что расплав металла (железо) при высоком давлении и температуре оказывается ненасыщенным углеродом по отношению к графиту и пересыщенным по отношению к алмазу. При таких условиях термодинамически выгоднее оказывается образование алмаза и растворение графита. Получаемое в настоящее время по данной технологии сырье — это преимущественно алмазные порошки с размером зерна 0,001—0,6 мм (максимально 2 мм) и концентрацией азота более 1019 атомов/см3.

Рисунок 2.1. Оборудование для производства алмаза

В начале 60-х годов советские ученые Б. Дерягин и Б. Спицын и независимо от них американец В. Эверсол предложили принципиально иной CVD-способ получения алмаза, не требующий использования больших давлений. Суть его состоит в том, что углеродсодержащий газ (например, метан) в смеси с водородом и кислородом разлагают при атмосферном или пониженном давлении, и атомы углерода осаждаются на поверхности затравочных кристаллов алмаза, что приводит к их росту. Однако получаемые кристаллы имели ограничения по качеству. Несмотря на определенные успехи в деле выращивания алмазов, оставалась одна нерешенная задача — получение крупных монокристаллов ювелирного качества. Лишь в 1967 году Роберт Венторф запатентовал способ («метод температурного градиента»), позволивший решить данную проблему. Движущей силой кристаллизации алмаза в этом методе является перепад концентрации растворенного в металле углерода, обусловленный разностью температур в реакционном объеме. Источник углерода располагают в наиболее горячей зоне, а алмазную затравку (кристалл алмаза размером около 0,5 мм) в области с более низкой температурой. Металл-растворитель плавится и насыщается углеродом. Однако степень насыщения из-за разницы температур будет неравномерной. Равновесная концентрация углерода в расплаве на границе раздела расплав — источник углерода будет выше, чем на границе раздела расплав — алмазная затравка. Возникающий градиент концентрации приводит к диффузии углерода от источника к затравочным кристаллам, у которых расплав оказывается перенасыщенным — из него происходит осаждение углерода, вызывающее рост алмазного кристалла-затравки. Это очень остроумный метод, основанный на хорошем понимании того множества процессов, которые происходят в термодинамически неравновесных средах, — в данном случае перепад температур одновременно обеспечивает доставку нужного для роста алмаза углерода и гарантирует его осаждение на затравку. [5]

2.4 Применение тиснумита

Первоначально людей в алмазе привлекала только его необычайная твердость, и ценился он ниже некоторых других минералов. Лишь в середине XV века придворный ювелир герцога Бургундии Карла Смелого знаменитый Луи ван Беркем придумал первый вариант так называемой бриллиантовой огранки, позволившей достаточно полно выявить блеск и игру цветов алмаза. Яркий блеск ограненного алмаза обусловлен его высоким показателем преломления (2,42), а разноцветная игра — сильной дисперсией (способностью кристалла разлагать белый свет на отдельные спектральные составляющие).

При огранке и полировке алмазов используют абразивные порошки из того же самого алмаза. Одинаковая твердость абразива и обрабатываемого материала создает определенные проблемы при таких работах. У алмаза, как у большинства кристаллов, разные грани имеют неодинаковую твердость. Труднее всего поцарапать так называемую грань (111), на которой атомы углерода расположены наиболее плотно. Именно при обработке поверхностей, параллельных данной кристаллографической грани, у ювелиров и технологов возникают особые трудности.

Рисунок 2.2. Тиснумиты

Технологи ищут пути повышения твердости выращиваемых алмазов путем целенаправленного их легирования различными примесями, а также пытаются синтезировать вещества покрепче самого минерала. Уже более 10 лет в научных кругах обсуждаются углеродные материалы, получаемые при высоких давлениях и температурах из молекул фуллерена С60. Среди синтезируемых кристаллических и аморфных структур особо интересна модификация фуллерита с большой долей «алмазоподобных» межатомных связей — до 80%. Остальная часть химических связей в этом веществе более прочная, чем алмазная, и подобна той, что соединяет атомы в плоскостях графита, в молекуле С60 и стенках углеродных нанотрубок. Структура расположения атомов углерода в этом состоянии обеспечивает изотропность его механических свойств и отсутствие так называемых «легких» плоскостей скалывания, имеющихся у кристаллов алмаза. Как полагают, именно такая «рваная» и сильно напряженная кристаллическая структура и обеспечивает данному материалу твердость выше, чем у знаменитой грани (111) алмаза. Этот материал, названный «тиснумит», уже нашел применение в сверхпрочных наконечниках зондовых сканирующих микроскопов NanoSkan. Недавно ученые из Германии открыли новый вариант алмазоподобной структуры: агрегированные алмазные наностержни (Aggregated Carbon NanoRods), с плотностью и твердостью на несколько процентов большими, чем у обычного кристаллического алмаза. Ожидается, что такой материал ACNR найдет применение в различных нанотехнологиях.

2.5 Современные технологии

Первые алмазы ювелирного качества с помощью метода температурного градиента были получены в 1970 году в компании General Electric. За одну неделю под давлением 55000— 60000 атмосфер и 1 450°С при градиенте в 30 градусов были выращены кристаллы массой 1 карат и длиной 5 мм. Однако рукотворные камни по стоимости производства превосходили природные аналоги. Постепенно аппаратура и методы получения крупных монокристаллов совершенствовались. В настоящее время можно выделить две наиболее распространенные технологии: выращивание алмаза из углеродсодержащей газовой смеси и кристаллизация в условиях высоких статических давлений и температур. Оба метода позволяют создавать крупные и структурно совершенные кристаллы и управлять их химическим составом. В последнее время широкое распространение получил метод роста алмаза из газовой фазы, активированной микроволновым излучением. При этом углеродсодержащий газ (например, метан) в смеси с водородом ионизируется, попадая в зону действия излучения, создаваемого сверхвысокочастотным генератором. Из образовавшейся плазмы, содержащей атомарный углерод, происходит его осаждение на подложку, где и растет сам кристалл. В качестве подложки для получения монокристаллов используются пластины из выращенного или природного алмаза. Температуру подложки за счет нагрева плазмой поддерживают в диапазоне 800°— 1000°C. Параметры процесса должны строго контролироваться, поскольку все они, включая кристаллическое совершенство подложки, ее температуру и соотношение ионов в плазме, сильно влияют на качество растущего алмаза. Большинство получаемых по данной технологии кристаллов имеет коричневатый оттенок и требуют последующей термообработки для улучшения цвета.

Самыми известными компаниями, использующими данную технологию, являются: Element Six, Apollo Diamond (США), Геофизическая лаборатория Института Карнеги (США). Представители последнего в 2004 году сообщили о выращенном ими бесцветном монокристалле алмаза массой 10 карат (2 грамма), высотой 12 мм и достигнутой скорости роста ~0,1 мм/ч, то есть данный образец вырос за 5 суток. Другая технология использует метод температурного градиента и прессовое оборудование, позволяющее поддерживать продолжительное время давление порядка 5—6,5 ГПа при температуре 1350°—1800°C. Выращиванием крупных монокристаллов алмаза ювелирного качества по данной технологии занимается ряд промышленных компаний и научных институтов по всему миру: De Beers, Sumitomo Electric Industries (Япония), Gemesis (США), а также несколько предприятий и лабораторий в России (Новосибирск, Москва, Троицк), Беларуси и Украине.

Большинство получаемых ими кристаллов (желтые, желто-коричневые алмазы) содержат в своей кристаллической решетке значительное количество одиночных атомов азота. Азот растворяется в расплавленном металле и активно захватывается растущим кристаллом. Привлекательность азотсодержащих кристаллов для выращивания обусловлена тем, что при прочих равных условиях скорость их кристаллизации существенно выше, чем скорость роста высокочистых по азоту монокристаллов алмаза.

К настоящему времени самым крупным рукотворным азотсодержащим алмазом является кристалл технического качества (из-за наличия крупных металлических включений) весом 34,8 карата (~7 грамм), выращенный в исследовательском центре компании De Beers за 600 часов, то есть 25 дней.

Разворачивание рентабельного промышленного производства крупных (более 10 карат) алмазов ювелирного качества сегодня вполне реально. Однако угрозой мировым продажам бриллиантов такое производство, скорее всего, не станет, поскольку ему найдут иное научно-технологическое применение, оставив цены на бриллианты на должном уровне. Кроме того, себестоимость добычи природных камней и производства алмазов в прессах не слишком сильно отличается, а количество пригодных для огранки искусственных камней пока и близко несопоставимо с количеством алмазов, добываемых из недр.

2.6 Химическая обработка

В ювелирной промышленности широко применяется способ кислотной обработки алмазов и бриллиантов. Процесс проводится в автоклавах, покрытых танталом, и заключается в кипячении алмазов в смеси соляной и азотной кислот при температуре 200°—250°С и давлении 0,5—1,0 МПа в течение 1—5 часов. В некоторых случаях для доступа кислот к закрытым включениям в алмазе при помощи лазера прожигаются каналы. Затем эти полости заполняют затвердевающими прозрачными жидкими и гелеобразными веществами, имеющими коэффициент преломления, близкий к коэффициенту преломления алмаза.

2.7 Радиационная обработка

В 1905 году, вскоре после открытия явления радиоактивности, английский ученый Уильям Крукс, будущий президент Лондонского королевского общества, обнаружил изменение окраски кристаллов алмаза, контактировавших с бромидом радия. В настоящее время для облучения алмазов используются ускоренные электроны с энергией 2—4 МэВ (кристаллы, подвергнутые данной обработке, не являются радиоактивными). Получаемые цвета колеблются от зелено-голубого до черного. В дальнейшем, после облучения, подвергнув алмазы нагреву в бескислородной среде до 700°—1 100°С, возможно более широкое изменение их цвета до зеленого, желтого, голубого, розового, красного, фиолетового и черного.

2.8 Термобарическая обработка

На воздухе при атмосферном давлении алмаз начинает превращаться в графит при 750—850°С. Однако, размещая образец алмаза в рабочем пространстве аппарата высокого давления, его можно нагреть до 1 800°—2 500°С (не боясь, что он целиком превратится в графит) и тем самым повлиять на окраску кристалла. Такая технология, используемая в подмосковном Троицке, позволяет из менее привлекательных коричневых природных кристаллов делать бесцветные, розовые, зеленые, желтые, оранжевые и голубые алмазы.

2.9 Управляемый синтез

Однако уникальные свойства алмаза в полной мере проявляются лишь в, так называемых, «малоазотных» кристаллах (содержание азота менее 1018 атомов/см3). Предотвратить вхождение атомов азота в решетку алмаза можно путем введения в ростовую среду дополнительных веществ, так называемых «геттеров» азота (титана, циркония, алюминия), связывающих азот в устойчивые нитриды. Однако при этом, как правило, идет параллельное взаимодействие геттеров с углеродом и образование карбидов, которые активно захватываются растущим кристаллом в виде макро- и микровключений и ухудшают его качество. Данная проблема решается путем подбора элементов конструкции той части установки высокого давления, где происходит рост кристалла, и оптимизацией термодинамических условий роста (давление, температура) и скорости кристаллизации. В настоящий момент максимальный темп роста «особо чистых» монокристаллов алмаза составляет 6—7 мг/ч, а получаемые кристаллы могут иметь вес 7—9 каратов (1,4—1,8 грамма).

В процессе роста также возможно управляемое легирование кристалла оптически и электрически активными примесями (азотом, бором), входящими в решетку алмаза и замещающими в ней отдельные атомы углерода. Наиболее часто алмаз легируют бором, отвечающим за голубую его окраску и полупроводниковые свойства.

Созданные в подмосковном городе Троицке технологии выращивания крупных монокристаллов алмаза (весом до 5 каратов) позволяют управлять концентрацией примесного азота в диапазоне от 1019 до 1016 атомов/см3 и выращивать полупроводниковые монокристаллы p-типа с широким диапазоном удельного электрического сопротивления — от 0,1 до 1013 Ом.см. Возможно также получение слоистых алмазных структур с изменяющимися по толщине оптическими и электрофизическими свойствами. Из выращиваемого сырья изготавливают алмазные наковальни, позволяющие вести исследования свойств веществ и фазовых переходов в них при сверхвысоких давлениях до 2,5 Мбар (около 2,5 миллиона атмосфер). А также производят оптические окна для особо мощных лазеров, высокочувствительные датчики температуры, малоинерционные нагревательные элементы, иглы для сканирующих зондовых микроскопов, датчики ультрафиолетового, рентгеновского и радиационного излучений. Выращиваемые сегодня в лабораторных и промышленных масштабах сверхчистые и легированные заданными примесями монокристаллы алмаза стоят существенно дороже природных образцов и производятся не для того, чтобы делать из них бриллианты. Особый интерес к данному материалу в последнее время обусловлен не только потребностями экспериментальной физики, но и наметившейся возможностью разработки алмазной электроники. Алмазные микросхемы пока живут только в мечтах физиков-теоретиков, но реальные технологи-практики активно работают над тем, чтобы выращенные в лабораториях ученых кристаллы алмаза были не только чистой воды, но и заданной полупроводящей микроструктуры.

2.10 Контроль происхождения алмазов

Следует заметить, что кристаллы, подвергнутые любой из «облагораживающих» обработок, могут быть распознаны при наличии необходимого оборудования и достаточной квалификации персонала, так же как и искусственные алмазы, выращенные в лабораторных условиях. Компания «Де Бирс», устанавливающая порядки в ювелирной промышленности, очень внимательно относится к возможной конкуренции со стороны промышленно выращиваемых алмазов.

Рисунок 2.3. Бриллиант

Ее специалисты разработали ряд приборов и методик для определения параметров — где, как и из чего был изготовлен тот или иной бриллиант. Так что выдать выращенный алмаз за природный почти невозможно. Делая ставку на природное сырье, «Де Бирс» полагает, что в ближайшие десятилетия ей удастся удержать высокие цены на свои изделия, в частности благодаря тому, что они будут гарантированно настоящие.

Эффективная диагностика и имитация алмазов проводится «алмазным щупом», действие которого основано на определении уникальной теплопроводности алмаза, превышающей теплопроводность серебра и меди: при этом возможна проверка даже очень мелких камней, закрепленных в глубокой оправе. Используется также «алмазный карандаш», заправленный специальными чернилами, оставляющими на поверхности хорошо смачивающегося жиром алмаза сплошную черту, тогда как на имитациях чернила собираются в отдельные капельки. Чистота абразивных порошков из алмазов проверяется рентгеновским и люминесцентным методами; синтетические порошки обычно обладают магнитными свойствами, выявляемыми мощными магнитами или электромагнитами.

Заключение

Таким образом, технология производства алмазов является высоконаучной отраслью. Успешное развитие технологии производства искусственных алмазов позволило получить сверхчистые минералы с уникальной структурой, оптическими и электрофизическими свойствами. Их применение дало толчок к развитию других современных высокотехнологичных отраслей, а также к развитию науки, в частности, экспериментальной физики и алмазной электроники. Современные разработки направлены на синтез кристаллов алмаза, превышающих по качественным показателям природные минералы.

Кроме того, что промышленность нуждается в большом количестве алмазов, перспективность их синтеза обусловливается истощением месторождений минерала и стабильно высокой рыночной ценой.

Наличие ряда высокотехнологичных областей, где природное сырье использовать нельзя из-за различия физических свойств природных кристаллов алмаза, и где требуются минералы с более совершенной кристаллической структурой, также определяет необходимость в развитие технологий, позволяющих в будущем выращивать минералы высокого качества и веса в промышленном количестве.

Список использованных источников

1. Орлов Ю. Л. Минералогия алмаза. М., 1973.

2. Трофимов В. С. Геология месторождений природных алмазов. М., 1980.

3. Коломейская М. Я. Натуральные и синтетические алмазы в промышленности. М., 1967.

4. Шафрановский И. И. Алмазы. М.; Л., 1964.

5. Милашев В. Л. Алмаз. Легенды и действительность. 2 изд. Л., 1981.

www.ronl.ru

Искусственные алмазы - презентация, доклад, проект

Слайд 1Описание слайда:

Искусственные алмазы

Слайд 2Описание слайда:

Алмаз известен людям очень давно. Первый алмаз был обнаружен в 4 тысячелетии до нашей эры в Индии. Уже тогда бриллиантам приписывали магическое действие, поэтому их часто использовали как талисманы. Алмазы были также известны и очень ценились старыми римлянами. Так как считалось что после огранки алмаз теряет магическую силу, поэтому до 1910 года массовой обработки алмазов практически не существовало.

Слайд 3Описание слайда:

Из-за своих свойств алмаз нашел применение во многих отраслях промышленности и ювелирного искусства. Но природные алмазы редки и дороги. Ежегодное производство их составляет несколько миллионов карат. И большая их часть применяется для технологических нужд так как алмазная пыль является превосходным абразивом. Поэтому идея создания искусственных алмазов очень давно волновала умы ученых.

Слайд 4Описание слайда:

Первую попытку создать искусственный алмаз сделал открыватель фтора Анри Муассон. Он сообщил, что ему удалось получить алмазы размером с булавочную головку, растворяя угольный порошок в железе при 3000° и охлаждая расплав в свинце. Однако никто не смог успешно повторить опыт Муассона.

Слайд 5Описание слайда:

Решающий шаг для открытия искусственных алмазов сделал советский ученый Овсей Ильич Лепунский. Это открытие он сделал, находясь в опале у советского правительства, из –за ареста своего брата. Тогда Овсей Ильич стал зарабатывать  статьями для журналов. Один из обзоров - по перспективам синтеза алмазов -был заказан журналом «Знание - сила». Овсей стал рассчитывать фазовую диаграмму углеродной системы графит-алмаз.

Слайд 6Описание слайда:

Лейпунский выделяет три условия для образования алмаза из графита: Температура 1500 -2500 С .Давление 60 – 80 тыс. атмосфер Наличие в углероде железа и некоторых других металлов которые растворяют углерод и он легче кристаллизуется.

Слайд 7Описание слайда:

Первые искусственные алмазы

Слайд 8Описание слайда:

Превращение графита в алмаз – невероятно сложная задача. Сконструированы специальные установки и аппараты, способные создавать и выдерживать высокие давления и температуры. Одновременно решено множество других сложных научных и инженерных проблем. Во всем этом – большая заслуга коллектива ученых Института высоких давлений под руководством академика Л. Ф. Верещагина и Института синтетических сверхтвердых материалов и инструментов под руководством В. Н. Бакуля.

Слайд 9Описание слайда:

Превращение графита в алмаз – невероятно сложная задача. Сконструированы специальные установки и аппараты, способные создавать и выдерживать высокие давления и температуры. Одновременно решено множество других сложных научных и инженерных проблем. Во всем этом – большая заслуга коллектива ученых Института высоких давлений под руководством академика Л. Ф. Верещагина и Института синтетических сверхтвердых материалов и инструментов под руководством В. Н. Бакуля.

Слайд 10Описание слайда:

В. Н. Бакуль Л.Ф.Верещагин

Слайд 11Описание слайда:

схема установки для получения искусственных алмазов

Слайд 12Описание слайда:

Это схема установки для получения искусственных алмазов. Вначале, после установки цилиндра в пресс высокого давления, подается вода и происходит процесс предварительного сжатия графита давлением воды, примерно до 2-3 тысячи атмосфер. Вторым этапом подается хладагент и замораживается вода до температуры минус 12 градусов Цельсия. При этом происходит дополнительное сжатие графита до 20 тысяч атмосфер за счет расширения льда. На следующем этапе подается мощный импульс электрического тока продолжительностью 0.3 секунды. На заключительном этапе размораживают лед и вынимают алмазы. Полученные подобным образом алмазы в основном грязного цвета, имеют пористую структуру, форма кристаллов тетраэдрическая. В большинстве своем прочнее естественных алмазов и в основном служат для технических целей.

Слайд 13

myslide.ru

АЛМАЗ – РУКАМИ ЧЕЛОВЕКА

Бескрованов Виктор Васильевич

Введение

В предыдущих номерах журнала, содержащих повествование об использовании алмаза на благо человека, мы не уделили внимания его искусственному аналогу. Однако синтезированные алмазы нельзя исключать из рассмотрения, потому что сейчас они широко используются при изготовлении инструментов и приборов. Если сравнивать природные и искусственные алмазы по их техническим параметрам, наиболее используемым при механической обработке различных материалов, то преимущество по ряду признаков окажется на стороне синтетических. К ним относятся более высокие абразивные свойства и способность к самозатачиванию путем откалывания частиц в рабочей зоне. Достоинством искусственных алмазов является также правильная огранка очень мелких кристаллов. Кроме того, синтетические алмазы мельче 200-300 мкм более прочны по сравнению с природными, встречающимися в основном в виде обломков [2]. Целые, хорошо ограненные кристаллы природного алмаза такого малого размера из кимберлитовой руды не извлекаются, потому что в настоящее время известен единственный способ обогащения содержащей их алмазоносной руды – растворение ее в агрессивных средах, например, кислотах. Однако в промышленных масштабах это нерентабельно. К тому же еще не разработаны методы утилизации вредных отходов этого производства, удовлетворяющие экологическим требованиям.

Несомненным достоинством синтеза алмазов является возможность получить кристаллы с заранее заданными свойствами. Такие алмазы особенно востребованы различными наукоемкими отраслями промышленности и, в первую очередь, электронной, где используются материалы, характеристиками которых (электрическими, оптическими, теплопроводностью и др.) можно управлять. Обсуждение особенностей синтетического алмаза важно по нескольким причинам. Назовем две главные.

Во-первых, запасы природного алмаза конечны. Поэтому при нынешних темпах организации добычи, а также непрерывно растущей в нем потребности как в драгоценном камне, так и в сырье для различных отраслей промышленности, они рано или поздно будут исчерпаны. Разумеется, можно надеяться на открытие новых алмазных месторождений, как это случилось не так давно в Якутии – две кимберлитовые трубки Ботуобинская и Нюрбинская. Но особых иллюзий на этот счет строить не стоит. К настоящему времени геологические особенности территорий алмазоносных провинций изучены достаточно подробно. Правда, сравнительно недавно были выделены две новые алмазоносные провинции – лампроитовая в Западной Австралии и Архангельская на северо-западе России. Но, если посчастливится открыть еще одну или даже несколько алмазоносных провинций, а это, согласно геологическим прогнозам, маловероятно, проблема не будет решена, так как потребность в алмазах всегда есть и будет.

Во-вторых, проблема синтеза алмаза представляет особый научный интерес, поскольку до середины прошлого столетия алмаз оставался единственным минералом, который не удавалась получить в лабораторных условиях. Даже после того, как это было сделано, все же остались вопросы, ответы на которые еще не получены.

Мифы вокруг искусственного алмаза

Существует красивая легенда о происхождении алмаза. Для его создания бог земных недр приказал принести ему все известные драгоценные камни. Затем он определил самые лучшие качества каждого камня и, соединив их, создал новый драгоценный камень, включивший в себя все достоинства других. Им стал алмаз – царь камней.

История создания искусственного алмаза сравнима с событиями в занимательном детективе и по увлекательности соперничает с историей попыток получения золота с помощью философского камня. В 1898 г. известный французский химик и металловед Анри Луи Ле Шателье (1850-1936) писал: «Синтез алмаза для современного химика столь же заманчивая задача, как получение философского камня для алхимика». Но философский камень так и остался недосягаемым фантастическим вымыслом, а алмаз сумел сотворить человек собственными руками.

Алмазы и золото во все века олицетворяли богатство, служили его мерой и символами. Из этих двух драгоценных материалов алмаз всегда был менее доступен человеку и в обиход его вошел позднее. Золото человек освоил гораздо раньше. Возраст археологических находок – изделий из этого металла – превышает шесть тысяч лет. Отсюда следует, что с давних пор интерес алхимиков был связан в основном с золотом. К тому же сотворение алмаза считалось принципиально невозможным. «Алмазы можно отыскать лишь в недрах земли» – утверждал великий французский писатель и поэт Виктор Гюго. Трудно сказать, что вдохновляет великих поэтов на научные прогнозы. Первые попытки получения искусственного алмаза отмечены только в конце XIX в., когда началось активное использование этого минерала в промышленности.

Искусственный алмаз пытались получить многие. Среди них были как серьезные ученые, так и шарлатаны. Одних вдохновляла трудность достижения цели, других манила возможность поправить свои финансовые дела, третьих – неутолимая жажда славы.

Природой алмаза интересовались такие выдающиеся естествоиспытатели, как И. Ньютон и наш соотечественник М.В. Ломоносов. Эксперименты по доказательству его углеродной основы проводили А. Лавуазье, Г. Дэви, М. Фарадей, русские ученые А.М. Карамышев и В.Н. Каразин.

В XVIII в. особую популярность снискал во Франции граф Сен-Жермен, выдававший себя за изобретателя жизненного эликсира и философского камня. Его известность докатилась и до России. Сен-Жермен был выведен А. Пушкиным в образе графа в «Пиковой даме», который сообщил старой графине в годы ее молодости секрет трех выигрышных карт. Для нас же Сен-Жермен интересен тем, что в свое время сумел убедить многих, что он умеет сплавлять мелкие алмазы в крупные. Нет сомнения в том, что это был ловкий фокус, в процессе которого мелкие алмазы подменялись крупными или стеклянными подделками. Однако уверенные действия шарлатана способствовали популярности фокуса, и на него попадались многие доверчивые простаки.

Другим знаменитым шарлатаном был Джузеппе Бальзамо. Происходивший из семьи простого сицилийского торговца, он выдавал себя за Алессандро, графа Калиостро. Этот проходимец предлагал доверчивым клиентам «увеличить» бриллиант. Опустив алмаз в мутную жидкость, он жестом фокусника извлекал из нее камень вдвое большего размера. Суть фокуса была подобна трюку Сен-Жермена.

Даже сейчас, когда алмаз синтезирован, не уменьшается число энтузиастов его получения в искусственных условиях. Мне, например, не раз приходилось сталкиваться с подобными «изобретателями». Объединяет их всех особый блеск в глазах, загорающийся при изложении очередной гипотезы сотворения алмаза. Подходы предлагаются самые разнообразные, вплоть до использования простых подручных приспособлений.

В наш просвещенный век не ушли в прошлое сен-жермены и калиостры, и они очень неплохо себя чувствуют. В недалекие смутные времена меня как-то попросили освидетельствовать кристаллы, выдаваемые за искусственные алмазы. В Якутию приехал представитель предприятия, производящего оборудование для огранки бриллиантов. Попутно он демонстрировал «искусственные алмазы», произведенные, по его словам, на одном из заводов бывшей оборонной промышленности. В подтверждение он высыпал на стол из небольшой коробочки крупные блестящие гладкогранные бесцветные кристаллы октаэдрической формы, визуально походившие на алмазные. Впечатляли их размер и вес – не менее 10 каратов самый маленький. За более чем тридцатилетний опыт работы с алмазами такие большие кристаллы мне доводилось видеть не часто.

Установить подлинность алмазов достаточно сложно. Два самых простых метода – рентгеновский и сжигания, о котором будет сказано позже. Проверить «алмазы» на подлинность, вполне понятно, не позволили. Позднее возникло предположение, что они были изготовлены, скорее всего, из кварца. Пару подобных имитаций я храню для демонстрации студентам.

И это не единственный случай. В свое время очень досаждал «изобретатель» двигателя, в котором в качестве топлива предлагалось использовать, как помнится, речной песок. Так вот, побочным продуктом этого устройства на выходе были, по уверению автора, опять алмазы.

«Газетные утки» об очередном прорыве в получении искусственных алмазов появлялись, появляются и будут появляться. И.И. Шафрановский в своей популярной книге «Алмазы» [3] приводит интересное для нас стихотворение «Лжец» [стр. 125] известного в свое время баснописца И.И. Хемницера (1754-1784):

И того алмаз искусством довели,

Что, как стекло, его теперь уж плавить стали,

А эдакий алмаз мне самому казали,

Который слишком в фунт из мелких был стоплен…

О публикации в одной из газет заполярного города в 1949 г. рассказывают в своей книге В.И. Рич и М.Б. Черненко [4, стр. 98]: «Передовой рабочий Василий Ковтун, недавно вернувшийся в составе энской геологической партии с полевых работ, рассказывал, что сезон был успешным – лето проработали хорошо, добыли две тонны алмазов». В то время это была примерно половина их годовой мировой добычи. Алмазы в Якутии еще не были открыты.

А вот событие времен не столь давних, хотя «утекло» с тех пор уже более 30 лет. В 1972 г. я работал в Институте геологии СО АН СССР, где был изобретен метод термохимической обработки алмаза. Этот метод получил широкое признание во всем мире, и о нем сообщалось в журнале «Наука и техника в Якутии» [5]. В нашу лабораторию зашел взволнованный главный вдохновитель идеи термохимического метода Анатолий Петрович Григорьев с газетой в руках и показал статью с сообщением о новом научном достижении советских ученых, разработавших технологию получения искусственных алмазов хорошего ювелирного качества и больших размеров. Особо был отмечен эксперимент, в котором удалось вырастить алмаз весом более двух килограммов. Можно было понять волнение автора термохимического метода. Звонок в редакцию газеты уточнил ситуацию. Оказалось, что журналисту поручили взять интервью у создателей новых синтетических монокристаллов фианита. По своим ювелирным качествам он является прекрасной имитацией алмаза. Об этом и сообщили журналисту, который перепутал фианит с синтетическим алмазом.

Из истории творения искусственного алмаза

В древности алмаз считали очень прочным стеклом. И действительно, эти материалы внешне довольно сходны. Оба бесцветны. Алмаз имеет сильный блеск, так и называемый алмазным. Но встречаются кристаллы с тусклым стеклянным блеском. Он наблюдается у некоторых образцов из редкой не ювелирной разновидности алмаза, относимой в классификации по физическим свойствам к типу II. Известны случаи подмены бриллиантов стеклянной подделкой и это долгое время может оставаться незамеченным.

Считается, что правильную догадку о природе алмаза впервые высказал Исаак Ньютон (1642-1727). Изучая прохождение света в различных веществах, он установил, что показатель преломления у алмаза (14 556) близок по величине к таковому у различных маслянистых жидкостей (оливковое масло – 12 607, льняное масло – 12 819, терпентиновый спирт – 13 222, янтарь – 13 654) и значительно отличается от этой характеристики для других твердых прозрачных материалов (у Ньютона – каменистых тел) и воздуха: воздух – 5208, гипс (селенит) – 5386, стекло – 5436, горный хрусталь – 5410.

Здесь приведены полученные самим Ньютоном значения преломляющих способностей веществ. В современном представлении величина показателя преломления указывает на то, во сколько раз скорость света в данной среде меньше, чем в вакууме.

Результаты своих исследований Ньютон изложил в книге «Оптика», опубликованной в 1704 г. Однако по найденным рукописям можно заключить, что она была подготовлена к изданию значительно раньше – не позднее 1687 г. Проанализировав полученные величины показателя преломления, Ньютон пришел к выводу: если многие «каменистые» тела и воздух, который, вероятно, возник из них же «при брожении», обладают преломляющей способностью около 5000, а «маслянистые» жидкости вдвое большей по значению, то единственное твердое тело, близкое им по этой характеристике, должно быть также маслянистым, но сгустившимся веществом. Поскольку все маслянистые вещества горят, то таким же свойством, по предположению Ньютона, должен обладать и алмаз.

Историки науки полагают, что и до Ньютона алхимики предпринимали попытки проникнуть в тайну природы алмаза, но достоверных данных не сохранилось. Имеются, например, недоказанные сведения о том, что за столетие до выхода ньютоновской «Оптики» некто Боэтис де Бута, служивший придворным медиком при дворе австрийского эрцгерцога Рудольфа II, говорил о горючих свойствах алмаза на том основании, что последний может прилипать к смоле.

В любом труде, затрагивающем вопрос о природе алмаза, указано, что горючесть этого минерала впервые отмечена Ньютоном. Гордым девизом выдающегося ученого была его знаменитая фраза: «Гипотез не измышляю», а девизом Лондонского королевского общества, членом которого он состоял – «Nullius in verba» (в переводе с латыни – ничего на веру). Но в литературе отсутствуют сведения о проверке Ньютоном способности алмаза к горению.

Наиболее известные опыты по нагреванию алмаза проделал во Флорентийской академии наук Дель Чименто через семь лет после написания рукописей «Оптики». В 1694 г. академики Аверани и Тарджиони провели публичные эксперименты в присутствии герцога Козимо III Медичи. Они демонстрировали, что происходит с рубином и алмазом при сильном нагревании. Камни раскалялись солнечным светом, сфокусированном на них линзой размером с тарелку. В сохранившихся документах записано, что в процессе опытов рубин не изменился, а алмаз исчез на острие раскаленного солнечного луча. Испарился! Другого объяснения наука в те далекие времена дать не могла.

Для доказательства способности алмаза к горению потребовалось еще восемьдесят лет. В 1772 г. знаменитый французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743-1794) повторил опыт флорентийских академиков. Для нагревания алмаза он использовал более мощную линзу диаметром 120 см и радиусом кривизны 240 см. Она представляла собой соединение двух выпукло-вогнутых стеклянных линз, пространство между которыми было заполнено спиртом. Для фокусировки использовалась дополнительная небольшая линза. На глазах избранной парижской публики – меценатов и любителей науки – Лавуазье сфокусировал солнечный луч на алмазе, помещенном внутри закрытого сосуда. Алмаз вспыхнул и исчез. Лавуазье исследовал продукты сгорания алмаза и установил, что они мутят известковую воду. Это было признаком содержания в них углекислого газа.

В России эксперименты по сжиганию алмаза проводил в Петербургском горном кадетском корпусе минералог Александр Матвеевич Карамышев в 1774 г., то есть двумя годами позже Лавуазье.

Автором доказательства углеродной природы алмаза многими считается английский химик Смитсон Теннант (1761-1815). В 1797 г. он сжигал равные по весу небольшие порции алмаза, графита и древесного угля в герметичном золотом сосуде с чистым кислородом. Анализ продуктов сгорания показал одинаковый химический состав исходных веществ. Это было свидетельством углеродного состава алмаза. Спустя два года вывод Теннанта подтвердили французские ученые Гийтон и Клуе.

Еще одно доказательство углеродной природы алмаза принадлежит знаменитому английскому химику и физику Гемфри Дэви (1778-1829). В 1814 г. он находился проездом во Флоренции. В путешествиях Дэви не прерывал научных работ, для чего имел в своем багаже необходимые приборы. Секретарем и по совместительству слугой у него был Майкл Фарадей (1791-1867), известный ныне каждому школьнику как основоположник учения об электромагнитном поле. Дэви и Фарадей повторили опыт Лавуазье с той разницей, что алмаз сожгли в колбе, наполненной не воздухом, а кислородом. В результате в ней получился только углекислый газ. Это указывало на углеродный состав алмаза.

Один и тот же химический элемент образовывал прекрасный драгоценный камень и пачкающий руки черный уголь! Углеродная природа алмаза вызывала желание превратить уголь в драгоценный камень. Первая попытка получить искусственный алмаз была сделана через девять лет после опытов Деви и Фарадея. Ее предпринял Василий Назарович Каразин (1773-1842), извест-ный более как основатель харьковского университета (1805 г.). В 1841 г. он опубликовал статью «О сжении угля с расчетом», в которой подробно изложил результаты проведенных в 1823 г. экспериментов с веществами, богатыми углеродом. В заключении он написал: «Сим образом случилось мне добыть не только род антрацита, но и другое чрезвычайно твердое вещество в кристаллах, которое профессор химии Сухомлинов почел подходящим еще ближе к алмазу» [4]. Полученное вещество Каразин назвал «пирогоном», что по-гречески означает «огнем рожденный». К сожалению, по оставленному В.Н. Каразиным описанию сейчас трудно сказать что-либо определенное о связи пирогона с алмазом. Можно только предположить, что эти кристаллы были похожи на алмаз. Известный советский кристаллограф И.И. Шафрановский, подробно изучивший этот вопрос, пришел к выводу о том, что они могли состоять из углеводородов с большим содержанием углерода и малым – водорода [3, 6]. Такие материалы обладают высокой твердостью и тугоплавки. По утверждению Д.И. Менделеева: «…в них до некоторой степени видно приближение к свойствам алмаза» [3, стр. 127].

И.И Шафрановский [3] особо подчеркивает приоритет В.Н. Каразина в осуществлении первой попытки синтеза алмаза. Французы Каньяр де ла Тур и Ганналь повторили эксперимент Каразина в 1929 г., то есть шестью годами позже.

Попытки пионеров алмазотворения основывались на уже хорошо известном в те времена превращении алмаза в графит при нагревании без доступа воздуха. Если это так, рассуждали они, то нельзя ли обратить процесс графитизации алмаза вспять и превратить графит в алмаз? Тогда существовали представления, что алмаз в природных условиях образовался в результате сложных физико-химических реакций при высоких давлении и температуре. Но как шел процесс алмазообразования, какие искусственные условия необходимы, чтобы его воспроизвести, не знал никто.

Высокая температура должна обеспечить атомам углерода в решетке графита высокую подвижность и энергию для перестройки в другую кристаллическую структуру. Необходимость создания высокого давления следует из универсального принципа Ле Шателье-Брауна, согласно которому внешнее воздействие, выводящее систему из состояния термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, стремящиеся ослабить эффект этого воздействия. Применительно к переходу графит-алмаз это означает следующее. Упаковка атомов в кристаллической решетке алмаза и графита существенно различна. Плотность последнего составляет 2,23 г/см3, а природного алмаза – 3,5 г/см3. Следует ожидать, что при высоком давлении атомы углерода в кристаллической решетке графита должны перестроиться и образовать структуру алмаза с более плотной упаковкой, ослабив тем самым действие приложенного повышенного давления.

Высокую температуру уже умели получать в кузнечном горне. Сложнее было с другим параметром. Но и в этом направлении просматривался просвет. Было известно, что такие вещества, как железо, серебро, висмут и галлий при охлаждении и затвердевании заметно увеличивают объем. Это открывало перспективы получения высокого давления в слитках из этих металлов. С серебром экспериментировал в Санкт-Петербурге профессор Военно-медицинской академии Константин Дмитриевич Хрущов (1852-1912). На заседании минералогического общества 4 марта 1893 г. он известил о проведенных опытах, в которых кипящее серебро насыщалось углеродом и быстро охлаждалось. В полученных слитках были обнаружены кристаллики, которые царапали корунд – самый твердый после алмаза минерал – и сгорали при нагревании. Хрущов пришел к выводу об их алмазной природе. Для выделения алмазов он использовал азотную кислоту, которая растворяла серебро, оставляя свободными образовавшиеся кристаллы.

В известной книге о драгоценных камнях М.И. Пыляева [7] есть упоминание о профессоре Чирикове, который в 1894 г. на заседании Харьковского Фармацевтического Общества сделал доклад «О новых способах приготовления искусственных алмазов». Когда об этом стало известно в Санкт-Петербурге, то химик К.Д. Хрущов заметил, что им давно получены алмазы таким же путем из серебра.

Широко известны опыты французского ученого Анри Муассана (1852-1907): железо с добавкой угольного порошка плавили в графитовом тигле при температуре 20000-3500°С. Когда железо насыщалось углеродом, полученный расплав выливали в ледяную воду. В результате сжатия образовавшейся корки охлажденного железа внутри слитка создавалось высокое давление. После растворения слитка в кислотах были обнаружены мелкие черные непрозрачные кристаллики размером менее 0,7 мм. Они царапали рубин и корунд, сгорали в кислороде и имели плотность от 3,0 до 3,5 г/см3. В 1893 г. Муассан сделал сообщение о синтезе искусственного алмаза. Оно получило широкую огласку и принесло ученому мировую известность. Этому способствовала его научная популярность как выдающегося физико-химика. Муассанан открыл фтор и ряд карбидов. Его именем названа смесь серной и соляной кислот (смесь Муассана).

Однако зазвучали голоса скептиков, которые ставили под сомнение экспериментальные результаты К.Д. Хрущова, Муассана и других ученых. Они утверждали, что в проведенных опытах получен не синтетический алмаз, а карбиды – соединения углерода с металлами. Например, известный русский минералог П.Н. Чирвинский (1880-1955) изложил свои соображения об опытах Муассана в брошюре «Трактат по минеральной химии Муассана с минералогической точки зрения», изданной в 1907 г. Он попытался переиздать ее на французском языке, но получил отказ. Редакция журнала «Бюллетень французского химического общества» прямо указала причину – это будет неприятно президенту общества А. Муассану [3].

Штурм алмазного синтеза продолжался. Изобретатель паровой реактивной турбины англичанин Чарлз Алджернон Парсонс (1854-1931) пытался получить алмаз, разлагая ацетилен. С этой целью выстреливали пулей в дуло ружья с находящимся внутри него исходным веществом. Движение пули внутри ствола создавало высокое давления, а адиабатическое сжатие приводило к возникновению высокой температуры. Однако положительный результат не был достигнут. В других опытах Парсонс пытался получить алмаз, подвергая расплавленную массу давлению до 11 000 ат (1,1 ГПа). И в этом случае алмаз не получился. Далее исследователь провел эксперименты с угольными стержнями, нагревая их в различных углеродсодержащих жидкостях под давлением до 4 000 ат (0,4 ГПа), но образовался только уголь.

Крупный английский физик и химик Уильям Крукс (1832-1919), президент королевского общества, получивший известность за изобретение газоразрядной трубки (названной его именем), взрывал в стальной толсто-стенной бомбе кордит. В этом процессе развивалось давление до 8 000 ат (0,8 ГПа), и создавалась температура около 4000°С. Другой исследователь – Майорана – с этой же целью использовал порох. Оба ошибочно сообщили о положительном результате.

Некоторые ученые пытались в лабораторных условиях получить углерод, необходимый для кристаллизации алмаза, путем разложения различных углеродсодержащих химических соединений. По этому пути пошел Бауменю в Германии. Он расплавлял карбид кальция и производил электролиз расплава. После обработки образовавшейся массы выделились твердые прозрачные кристаллики. По мнению Бауменю, это были алмазы.

Проводились также опыты и с чистым парафином, который запаивали в металлическую трубку, а затем нагревали в печи. Высокое, по мнению экспериментаторов, давление в трубке создавалось последующим резким охлаждением. Однако в продуктах опыта алмаз не был обнаружен.

Фридлендером, Гаслингером и Дельтером решающая роль в процессе образования алмаза отводилась химическому составу получаемого кристаллизующегося вещества [9]. Они предпринимали попытки воспроизвести процессы, происходящие в природных очагах роста алмаза, и экспериментировали с оливином и кимберлитом. Гаслингер использовал не кимберлит, а эквивалентную ему по химическому составу смесь. По утверждению этих ученых, полученные кристаллы были тверже рубина и сгорали в кислороде, что указывало на их алмазную природу.

Многие исследователи для синтеза алмаза использовали вольтову дугу [9]. Ла-Роза, например, после плавления угля в ней получил прозрачный кристаллик плотностью 3,2 г/см3, царапавший рубин. По мнению автора, это был алмаз.

Предпринимались многочисленные попытки сотворить алмаз путем разложения в вольтовой дуге углеродсодержащих соединений [9]. Руссо экспериментировал с ацетиленом, Дельтер – ССl4 над алюминием, Людвиг – угарным газом СО, Дюпар и Ковалев – СS2, Болтон – С2Н2 и светильным газом над амальгамами.

Болтон впервые использовал мелкие кристаллики алмаза в качестве так называемых затравок, помещая их в среду кристаллизации. Отметим, что о необходимости затравок для роста кристаллов упоминал еще М.В. Ломоносов в своих «Химических и оптических записках», относящихся к 1762-1763 гг.: «При кристаллизации класть на зарод почечные алмазы и другие камни» [9, стр. 453].

(Продолжение следует)

Литература

1. Чепуров А.И., Федоров И.И., Сонин В.М. Экспериментальное моделирование процессов алмазообразования. – Новосибирск: Изд-во СО РАН НИЦ ОИГГМ, 1997. – 198 с.

2. Новиков Н.В., Федосеев Д.В., Шульженко А.А., Богатырева Г.П. Синтез алмазов. – Киев: Наукова думка, 1987. – 160 с.

3. Шафрановский И.И. Алмазы. – М.-Л.: Наука, 1964. – 174 с.

4. Рич В.И., Черненко М.Б. Неоконченная история искусственных алмазов. – М.: Наука, 1976. – 137 с.

5. Шамаев П.П., Григорьева А.С., Ботвин В.В. О термохимических методах обработки алмазов с новых позиций // Наука и техника в Якутии. – Якутск: Изд-во ИМЗ СО РАН, 2002. – № 1(2). – С. 27-29.

6. Иоффе-Смирнова Б.Я., Шафрановский И.И. Забытые опыты В.Н. Каразина по «алмазотворению» // Мин. сб. Львовск. геолог. об-ва. – 1954. – №8.

7. Пыляев М.И. Драгоценные камни. Их свойства, местонахождение и употребление. – С.-Петербург: Издание А.С. Суворина. – 3-е доп. изд. – 1988. – 404 с.

8. Лейпунский О.И. Об искусственных алмазах // Успехи химии. – 1939. – Т. VIII. – В. 10. – С. 1519-1534.

9. Ломоносов М.В. Полное собрание сочинений. – Т. 4. – М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1955.

Бескрованов Виктор Васильевичдоктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры физики твердого тела Физико-технического института ЯГУ, руководитель Научно-технологического центра алмаза ОИФТПС СО РАН, заместитель главного редактора журнала.

st-yak.narod.ru


Смотрите также