Как называется искусственный алмаз. Где используют синтетические алмазы

Минералы и полезные ископаемые имеют свойство заканчиваться в недрах земли. Но у людей есть потребность в использовании различных минералов, в том числе и алмазов. Поэтому с развитием технологий начинается разработка и переход на искусственную добычу камней. Искусственные алмазы практически ничем не отличаются на сегодняшний день от натуральных минералов. По виду камни сложно отличить даже геммологам, что свидетельствует о высоком уровне сходства.

Искусственный алмаз

Ценные свойства алмаза

Конечно, даже развитие аппаратуры и технологий еще не стало причиной полного перехода от природных камней на синтетические алмазы. Пока компании по в лабораториях руководствуются принципом «два из трех»:

• качество;
• размер;
• рентабельность.

Два из трех критериев выбирается в процессе, но пока предел или идеал не достигнут, ученым есть к чему стремиться.

Большинство людей видят в магазинах алмазы уже в обработанном виде в качестве бриллиантов. Камни оправляются в драгметаллы и выступают в роли дорогостоящих украшений.

По химическому составу бриллиант является углеродом с особым строением кристаллической решетки. Происхождение минералов точно не известно. Существует даже теория космического происхождения алмазов. Наверное, поэтому сложно полностью повторить или воссоздать картину образования камня в лаборатории.

Первые попытки синтезировать камень начались после исследования структуры алмаза - она очень плотная, кристаллическая решетка состоит из атомов, соединенных ковалентными сигма-связами. Разрушить эти соединения легче, чем их сформировать.

Несмотря на то что бриллиант является украшением номер один, камень используется во многих сферах, помимо ювелирного дела. Именно этот фактор и натолкнул ученых на синтез искусственных камней. А еще алмаз имеет уникальные характеристики с точки зрения химии и физики:

• Самая высокая твердость (10 из 10 по шкале Мооса). Даже состав сплава стали не настолько твердый, как алмаз.
• Температура плавления вещества 800-1000 градусов Цельсия с доступом кислорода и до 4000 градусов Цельсия без доступа кислорода, с дальнейшим превращением алмаза в графит.
• Алмаз используется в качестве диэлектрика.
• У минерала самая высокая теплопроводность.
• Камень обладает люминесценцией.
• Минерал не растворяется в кислоте.

Выход на рынок синтетических алмазов может случиться в один момент и стать неожиданностью. Алмазная индустрия претерпит изменения, уменьшатся объемы продаж. Из камня начнут изготавливать полупроводники. Из-за высокой температуры плавления, полупроводники из алмаза можно разогревать до больших показателей, чем кремний. При температурах около 1000 градусов Цельсия кремний в микросхемах начинает плавиться и отключается, а алмаз продолжает работать.

Искусственный алмаз - действительно полезная вещь в науке и производстве. Среди ученых, которые занимаются синтезом алмазов для промышленности распространена такая поговорка: «Если ничего нельзя сделать из алмаза, сделайте из него бриллиант».

Методики создания вещества

Первые попытки получить алмаз искусственный начались еще в конце XVIII века, когда стало известно о составе камня, но технологии не позволяли воссоздать нужную температуру и давление для образования минерала. Только в пятидесятых годах XX века попытки синтеза вещества увенчались успехом. Среди стран, выращивающих алмазы, были США, ЮАР, Россия.

Оборудование для создания искусственных алмазов

Первые синтетические алмазы были далеки от идеала, но сегодня камни практически неотличимы от природных алмазов. Процесс выращивания является трудоемким и материально затратным. Существует несколько вариантов и форм синтеза алмаза:

• Способ получения HPHT-алмазов. Эта методика близка к природным условиям. При ней необходимо соблюдать температуру 1400 градусов Цельсия и давление в 55000 атмосфер. В производстве используются затравочные алмазы, которые кладут на пласт из графита. Размер затравочных камней до 0,5 миллиметров в диаметре. Все компоненты размещают в специальном устройстве, напоминающем автоклав в определенном порядке. Сначала располагается основа с затравкой, потом идет сплав металла, который является катализатором, затем прессованный графит. Под воздействием температур и давления ковалентные пи-связи графита преобразуются в сигма-связи алмаза. Металл в процессе плавится, и графит оседает на затравку. Синтез продолжается от 4 до 10 дней, все зависит от требуемых размеров камня. Весь потенциал методики не раскрыт, и не все ученые доверяли этой технологии, пока не увидели созданные крупные кристаллы ювелирного качества. Огранка у полученных камней одинаковая.
• Синтез CVD-алмазов. Аббревиатура расшифровывается, как «осаждение из пара». Второе название процедуры - пленочный синтез. Технология более старая и проверенная, чем HPHT-производство. Именно она создает промышленные алмазы, которые можно использовать даже для лезвий в микрохирургии. По технологии также нужна подложка, на которую помещается алмазная затравка и все это располагается в специальных камерах. В таких камерах создаются вакуумные условия, после чего пространство заполняется газами водорода и метана. Газы разогреваются с помощью СВЧ-лучей до температуры 3000 градусов Цельсия, и углерод, который был в метане, оседает на основу, которая остается холодной. Синтетический алмаз, созданный по этой технологии, получается более чистым, без примесей азота. Эта методика напугала большинство концернов, добывающих камень в природе, поскольку она способна дать чистый и большой кристалл. Такой камень практически не будет иметь металлических примесей и его сложнее будет отличить от натурального. Алмазы, полученные по этой технологии, можно будет использовать в компьютерах в качестве полупроводника вместо кремниевых пластин. Но для этого необходимо усовершенствовать методику выращивания, поскольку пока размеры получаемых алмазов ограничены. Сегодня параметры пластин доходят до отметки 1 сантиметр, но через 5 лет планируется достижение планки в 10 сантиметров. А стоимость карата такого вещества не будет превышать 5 долларов.
• Способ взрывного синтеза - одна из последних задумок ученых, позволяющих получить искусственный алмаз. Методика дает возможность получить искусственный камень за счет детонации взрывчатых веществ и последующего охлаждения после взрыва. Кристаллы в результате получаются мелкие, но способ приближен к естественному образованию минералов.

А еще недавно возникло направление, позволяющее создавать мемориальные алмазы. Эта тенденция позволяет увековечить память о человеке в камне. Для этого тело после смерти поддается кремации, а из праха изготавливается графит. Далее графит используется в одном из способов синтеза алмазов. Так, камень содержит в себе останки тела человека.

Поскольку все способы дорогостоящие, нередко в ювелирном деле используют не искусственные вещества, а подделки или другие разновидности камня. Стекляшка среди алмазов - самая дешевая и устаревшая практика. На сегодняшний день она неудачная, поскольку распознать подлинник от подделки можно легко - достаточно царапнуть камень или посмотреть на игру света. Чаще всего в качестве бриллиантов продают фианиты.

Перспектива развития синтеза алмаза

Будущее синтетического алмаза начинается именно сегодня. Искусственный минерал стал символом времени, и вскоре у людей появится доступ к недорогим и красивым изделиям. Но пока технологии находятся на стадии развития и совершенствования. Например, лаборатория в Москве способна выращивать по вышеперечисленным технологиям до 1 килограмма алмазов в год. Конечно, этого мало для обеспечения потребностей промышленности. Дальнейшие обработки добываемых камней также требуют времени и оборудования.

Поэтому пока ведется традиционными способами, и никто не отказывается от разработки новых месторождений, открытия кимберлитовых трубок. Как только появилось производство искусственных алмазов, компания De Beers - практически монополия на рынке алмазов - начала переживать о своем бизнесе. Годовой оборот концерна составляет до 7 миллиардов долларов в год. Но пока синтетические камни не являются конкурентами натуральным алмазам, а их доля на рынке достигает всего 10%.

А еще, вместе с синтезом, развивалась и геммология, которая позволяет рассказать о происхождении камня. Синтетические алмазы можно легко отличить от натуральных. В качестве признаков выделяют:

• включения металлов в камнях из лаборатории;
• секторы роста, которые определяются в цветных алмазах;
• разный характер люминесценции алмазов.

Технологии и знания ученых совершенствуются с каждым днем. Процесс запущен, над ним работают специалисты. В скором времени мир увидит результаты и, возможно, даже откажется от традиционной добычи алмазов из недр земли.

Вопрос о том, что искусственные камни не обладают свойствами природных оставим для другой статьи. Тут же рассмотрим как и зачем человек создает искусственные бриллианты.

Виды искусственных бриллиантов

Как известно, алмаз – это самый прочный из драгоценных камней, на его создание природа «тратит» как минимум несколько тысяч лет, а также «применяет» высокую температуру и давление. Только в 14 веке их научились огранять и появилось само понятие «бриллиант», т.е. ограненный алмаз. Пытливый ум человека не остановился на достигнутом. Попытки создать искусственный бриллиант начались уже в 18 веке.
Всего на настоящий момент известно несколько видов синтетического камня, похожего по внешнему виду и строению на бриллианты.

• Муассонит – выращивается в лабораторных условиях с 1905 г., по составу это карбид кремния. Название минерал имеет в честь его создателя – французского ученого Анри Муассана. Далее технологии значительно были развиты в Советском союзе и до сих применяются разработанные советскими учеными приемы и способы. Значение муассонита в промышленности очень высоко. По своим техническим характеристикам он может даже превосходить природный камень.
• Кристаллы Сваровски – это хрусталь с измененным составом. Сваровски является всемирно известным брендом. Даниэль Сваровски начал свою деятельность в середине 19 века, тогда он изобрел свою собственную формулу, которая позволила ему получить идеальные по блеску и красоте кристаллы.
• Фианит – советские ученые получили этот минерал в 1968 году. Назван в честь своего «родителя» — Физического института Академии наук (ФИАН). Целью ставилось создание такого минерала, который можно применять в лазерных установках. По химическому составу фианит отличается от алмаза, это диоксид циркония. (Алмаз состоит из углерода). За рубежом он имеет названия джеволит или цирконит.

Искусственные алмазы – угроза или альтернатива?

Существует две основные технологии по выращиванию монокристаллов алмазов: НРНТ-и CVD. Первая — НРНТ – основана на использовании высокой температуры и высокого давления, вторая — CVD – осаждении углерода из газовой фазы. Оба способа связаны между собой и взаимодополняют друг друга.

Основное назначение искусственно выращенных кристаллов – использование в области высоких технологий.

Китай является основным производителем и поставщиком синтетического алмазного порошка (крупинки размером до 800 мкм). Львиная доля порошка — около 80% — используется внутри самого Китая. Стоимость такого порошка составляет 20 центов за единицу (а ранее составляла 20 долларов!), применяется он в основном для алмазных дисков при производстве инструментов.
Более крупные синтетические алмазы пока не имеют промышленного выпуска, т.к. их производство более сложное и китайские ученые еще только разрабатывают технологии одновременного выращивание большого количества таких кристаллов (и, соответственно, дешевых по цене).
Угрозы для природных алмазов синтетические не представляют. Это утверждение обусловлено следующими причинами:

1. Искусственные минералы по стоимости могут быть дороже, чем природные или же стоить незначительно дешевле. Когда в технологии их производства произойдет скачок, и цена на синтетические снизится в десятки раз, тогда, возможно, возникнет следующий вопрос – будут ли в ювелирном мире применять в качестве аналогов синтетические и насколько это будет пользоваться спросом.
2. Для ювелирных целей рынок синтетических алмазов пока не сформирован. Есть, конечно, любители всего технологического и предпочитающие сделанные человеческими руками материалы, а не природой, но их довольно мало. В основном, люди готовы платить только за натуральные драгоценные камни только потому, что они имеют уникальность и природную красоту, которую просто невозможно синтезировать ни какими современными приспособлениями.
3. В технических целях – в инструментах, медицине, хай-тек-технологий алмазный порошок и кристаллы давно используются, а природные алмазы уже не так выгодно использовать на этом рынке.
4. Все искусственно выращенные алмазы, которые используются в ювелирных целях, как правило, продвигаются под своим брендом и потребителя не стараются ввести в заблуждение. Кристаллы от Сваровски могут стоить также дорого, как и ограненный природный алмаз, потому что в стоимости значительную часть занимает его огранка.

Искусственные желтые бриллианты

Есть и выращиваемые алмазы высокого ювелирного качества. Они имеют насыщенный желтый цвет, а стоят в 4 раза дешевле природных, ведь «вырастают» за 4 дня, а не тысячи и миллионы лет. Например, американская компания Гемесис специализируется на выращивании алмазов для ювелирных целей. Этому высоко технологичному процессу посвящено видео.

Как отличить фианит от бриллианта

Камни, наиболее похожие на бриллиант — это фианиты. Бриллиант и фианит используются в ювелирных целях и поэтому на практике может возникнуть вопрос, какие они имеют отличия. Мошенники, выдающие фианиты за драгоценные камни, используют внешнее сходство минералов совершенно разных по химическому и физическому составу.
В зависимости от термической обработки, возможно выращивание прозрачных или черных фианитов. Цветные фианиты больше напоминают хризолиты, белый и розовый халцедон, красный рубин, александриты (с инверсией в зависимости от освещения).
Самым главным отличием фианита от бриллианта (за исключением химического состава, разумеется), является его прочность и твердость. Он гораздо мягче и поэтому его легко отличить от настоящего бриллианта даже в домашних условиях. Так, если провести камнем по зеркалу, то фианит лишь оцарапает поверхность, натуральный же бриллиант – разрежет стекло.
По блеску также можно отличить природный и бриллиант искусственный. Даже долго использующийся в украшениях натуральный камень, загрязнившийся от ношения, все равно продолжает сиять, а фианит почти утрачивает блеск.
Если фианит хотят выдать за бриллиант в мошеннических целях, то его стараются огранить так же сложно и тогда при помощи лупы или микроскопа можно рассмотреть и заметить «раздвоение» граней. Такого не может быть при огранке природного алмаза.
В целом, можно отметить, что неспециалисту довольно сложно отличить фианит, если мастер задался целью выдать его за бриллиант.
счастью, такое не принято в ювелирном мире, где и фианит, и кристаллы Сваровски, и другие виды искусственно созданных минералов продаются под своими именами и пользуются достаточно высоким спросом.

Украшение с алмазами - это, конечно, мечта каждой амбициозной леди. Однако не дефицит подобных ювелирных изделий стал причиной, по которой многие ученые мира десятилетиями трудились в поисках способа, как произвести на свет искусственный алмаз. Он жизненно необходим во многих отраслях (оптика. медицина, микроэлектроника), причем целью создаваемой технологии являлось то, чтобы искусственные алмазы не только не утратили свойств натурального драгоценного камня, но и превзошли его по совершенству кристаллической решетки.

На сегодняшний день известно как минимум четыре способа, как создать искусственный алмаз. Какой из них самый прогрессивный, трудно сказать, потому как один слишком дорогостоящий, недостатком другого является грязный цвет кристаллов, третий имеет существенное отличие от натурального по форме кристаллов. Поэтому технология производства выбирается в зависимости от того, на какие цели пойдет камень. Кристаллическая решетка природного алмаза представляет собой тетраэдр, по прочности ему нет равных, а в способности преломлять свет он значительно превосходит стекло:алмаз - 2,42, стекло - 1,8.

Если рассматривать самый надежный способ получения синтетических алмазов, то это будет путь, наиболее приближенный к природным условиям. Однако он является и самым дорогостоящим. Дороговизна прежде всего в самой установке - пресс с высоким давлением. В него помещается цилиндр, а в него уже специальная камера, выполненная из карбида тантала с кристаллическим углеродом (графит). Именно так находится алмаз в толще земли. Цилиндр снабжен специальными отверстиями, через которые подается вода под высоким давлением и проникают хладагенты.

В процессе многоступенчатой технологии графиту предстоит стать алмазом. Сначала под высоким давлением подается мощным потоком вода, которая сжимает графит. После этого он подвергается заморозке до -12 градусов Цельсия. Процесс сжатия не только не прекращается на протяжении всего технологического процесса, а, напротив, увеличивается за счет заморозки с 2-3 тысяч атмосфер вначале до 20 тысяч в конце. Далее вступает на доли секунды электрический ток, и наконец ледяной затвор размораживается и на свет появляется искусственный алмаз.

Полученный алмаз в точности повторяет естественную кристаллическую решетку тетраэдра, но обладает несколько грязноватым оттенком. Однако по прочности аналог гораздо превосходит натуральный. Таким способом получают камень для технических целей. Другая технология тоже достаточно проста, когда алмазы выращиваются в метане без доступа воздуха. Без специальной аппаратуры здесь не обойтись. Синтетический алмаз в итоге имеет кубическую форму кристаллов, абсолютно идентичен по прочности, но черного цвета.

Чтобы его получить, в специальную емкость аппарата погружают натуральный алмаз в мизерных количествах, как затравку. Его раскаляют и постепенно начинают подачу углерода (0,2% каждый час). Технология взрыва дает чистейшие алмазы по цвету, прочности, и форме кристаллической решетки. Для их получения используют все тот же графит, который предварительно разогревается и в момент взрыва превращается в алмазную крошку. Именно в крошку, потому как при таком способе выход кристаллов очень велик, но они получаются мелкими.

Такие же мелкие искусственные алмазы получают при низких температурах. В этой технологии используют специальный металл-катализатор, который и позволяет существенно снизить давление и температуру. Как правило, в камеру помещают графит, растворитель, железо, кобальт, никель. Алмаз слой за слоем "растет" в прослойке между раскаленным графитом и пластиной-катализатором. Так получают алмазы для технических целей. В течение каждого отдельного цикла вырастает до 50 гр.

В зависимости от используемого катализатора, алмазы различаются по цвету. Так, примесь никеля дает зеленый оттенок, с помощью бериллия получают голубые алмазы. Можно получать и другие цвета: белый прозрачный и матовый, желтый. Низкотемпературный способ придает синтетическим алмазам квадратную форму. Прочность получается выше, чем у природного алмаза. Если поместить в камеру крошку корунда вместе с хромом, а в качестве катализатора использовать чистый корунд, то на выходе удастся получить идеальный рубин.

Если добавить к этому составу железо и титан, то можно получить сапфир. Температура понадобится 600 градусов по Цельсию, а давление всего 1,5 тысячи атмосфер. Современные технологии позволяют, таким образом, создавать драгоценные камни, которые по внешним признакам не сможет отличить от натуральных даже профессионал-ювелир. Конечно, если взять в руки высокоточные приборы, то примеси удастся обнаружить. Но невооруженным глазом это сделать не удастся.

Создать все вышеупомянутые технологии позволили знания о том, что по сути природный алмаз - это всего лишь углерод. Таким же чистым углеродом являются уголь древесного происхождения и графит. Поэтому последний чаще всего превращается в драгоценные алмазные кристаллы путем применения одного из способов. Известно, что углерод может быть в твердом, газообразном и жидком состоянии. Изучив временные характеристики этих состояний и использовав давление и изменения температуры, теперь стало возможным получать искусственные алмазы.

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.