Искусственные алмазы. Об искусственных алмазах и бриллиантах

Вырастить искусственный алмаз стремилось множество ученых, с тех пор, как возникла теория о том, что это возможно. В наше время, бизнес по созданию синтетических камней очень популярен, так как это единственная возможность удовлетворить потребность в этом минерале. В природе, он встречается очень несовершенным, а его применение в промышленности и электронике нерентабельно. Но, благодаря работе великих умов мира, решение нашлось в лице лабораторных кристаллов. О них и пойдет речь.

Лабораторные кристаллы: подделка или полноценная замена

Называть синтетические алмазы копией — неправильно. Скорее, это один и тот же минерал, произведенный разными путями. Стоит отметить, что единственные различия между ними – это способ появления. В одном случае камни рождаются в природе, в другом, к их созданию прикладывает руку человек.

Произведенный в лаборатории искусственный камень, приобретает все свойства «настоящего» камня:

• прочность;
• структуру;
• блеск;
• коэффициент преломления;
• удельный вес;
• теплопроводность;
• сопротивляемость.

Но есть одно отличие искусственных алмазов – полное отсутствие дефектов. Это делает их идеальным материалом для промышленных и ювелирных целей.

Любопытно, что только 20% добытых в природе алмазов можно использовать для создания ювелирных украшений. У остальных камней бывают микротрещины, вкрапления и помутнения. При использовании качественных технологий, отличить естественный минерал от искусственного затруднительно, даже при наличии лабораторного оборудования.

Альтернативные названия в науке и простонародье

В научном мире, синтетические алмазы называются по технологии, с которой связано их производство. Существуют HPHT-алмазы, что означает – созданные под высоким давлением и температурой. А CDV-алмазы расшифровываются как химические осаждения из пара. О самих технологиях мы расскажем вам далее.

Но искусственные бриллианты не всегда являются его полной копией. Встречаются такие виды, как фианит, муассанит, страз, сегнетоэлектрик, рутил, фабулит и церуссит. Диоксид циркония является наиболее распространенной «подделкой», не имеющей ничего общего с настоящим алмазом.

Незнающие люди, называют искусственный бриллиант фианитом, что является большой ошибкой. Конечно, он прекрасно имитирует алмаз, благодаря прочности и преломлению. Некоторые эксперты не могут «на глаз» отличить его от оригинального камня. Поэтому, их широко используются в ювелирной промышленности.

Путешествие в прошлое

Поговорим о том, сколько прошло лет с момента появления гипотезы, что получить синтетические алмазы возможно. Впервые, об этом заговорили в 1797 году, выяснив, что камень полностью состоит из углерода. Но, реализовать идею удалось только в 1926 году, но и это нельзя назвать полным успехом. Полученный образец был далек от оригинала, но стал отправной точкой в исследованиях.

Только в 1941 году технологией заинтересовалась компания General Electrics. Их план заключался в том, чтобы нагреть углерод до 3000 градусов под давлением 5 гПа. Но, производство пришлось прекратить из-за 2-ой мировой войны. Вернуться к исследованиям удалось спустя 10 лет.

Качественный алмаз искусственное происхождения, подходящий для массового производства, удалось получить только в 1954 году. Но, его размеры были так малы, что использовать его в ювелирной отрасли было невозможно. Их бизнес распространился на промышленность. Решить проблему удалось в 1970 году, но и тогда камни не достигали более 1 карата.

Сегодня, все изменилось и в лабораториях могут выращивать действительно большие камни. Максимальный размер искусственного бриллианта, занесенного в Книгу рекордов Гиннеса, составляет 34 карата.

Цветовая гамма лабораторных камней

Многих людей интересует, какие оттенки принимают выращенные в лаборатории алмазы. На сегодняшний день, ученым удается «красить» синтетические камушки в два цвета: желтый и синий. Но, наибольшей популярностью пользуются бесцветные бриллианты, хотя для их создания и требуется больше времени и усилий.

Получать прозрачные искусственные бриллианты сложно потому, что необходимо постоянно следить за тем, чтобы в состав не попал бор или азот. К созданным такими усилиями камням, относятся наиболее трепетно и ценят даже небольшие по размеру образцы в 1 карат.

Голубые синтетические алмазы получают, примешав к углероду бром. Их оттенки различны: от густо-синего до бледно-голубого. Для получения желтых бриллиантов используют азот. Тогда, цвет получается от кислотно-лимонного до пламенно-оранжевого. Для получения черных камней в лаборатории необходим никель.

Сферы применения и открывающиеся возможности

Около 80% создаваемых алмазов применяются в промышленности и других областях человеческой жизни. Например, производство подшипников, наконечников для сверл. Из небольших камушков можно сделать алмазную крошку и порошок, использующиеся для напыления ножей или шлифовального инструмента.

Большую роль синтетический алмаз играет в электронике. Из них создают иглы, прослойки в микросхемах и счетчиках, чтобы сохранить теплопроводность и сопротивление. И это только примерный рынок сбыта, где можно реализовать качественные искусственные камни.

Для производства алмазов, выращенных методом CVD, самая главная роль – высокотехнологичные сферы. Они необходимы для создания мобильных телефонов. Их используют при воспроизводстве лазерных лучей, применяемых в медицине: с их помощью лечат множество смертельных заболеваний. Поэтому, роль синтетических камней огромна.

Технологии, прошедшие проверку и системы будущего

Расскажем, как вырастить алмаз в лабораторных условиях. Современный завод для, их изготовления, использует две технологии. Первая по популярности и возникновению, — HPHT. Она основана на нагревании углерода под высоким давлением. Ее главное преимущество – относительно невысокая стоимость получаемых камней.

Как делают алмазы по методике CVD можно понять, если представить газовую камеру. Внутри находится углеводородный газ, осаживаемый на кремниевую пластину путем нагревания или при помощи СВЧ-излучения. В результате реакции получается пластина в 2-3 мм толщиной. Поэтому, ее основная отрасль применения – оптика и электроника.

В некоторых лабораториях, выращивающих синтетические камни, распространена «взрывная» технология производства алмазной крошки. Она основана на том, что при взрыве создается высокое давление и выделяется много тепла. Главное — быстро опустить камеру в воду, чтобы не дать алмазу перейти в состояние графита.

Проблема «взрывной методики» в том, что драгоценная крошка находится внутри графита. Ее необходимо вымывать путем кипячения в азотной кислоте на протяжении суток, при температуре 250 градусов.

Красивая смерть: новая технология получения драгоценностей

В 1999 году ученые научились получать алмаз из праха человека или животного. Через 3 года, технология получила широкую огласку и создание бриллиантов из останков превратилось в прибыльный бизнес. Методика не стоит на месте. Ранее для производства камня, требовался весь пепел от кремации, но сегодня хватает и локона волос.

Когда кремируют человека, требуются очень высокие температуры. Благодаря этому и появилась возможность сохранять близких в драгоценностях. Но, цена на такое захоронение не маленькая: 5000-22000 долларов.

Внимание! Цены, указанные на сайте не являются публичной офертой, и администрация не несет за них ответственности.

Получить камень из праха близких, можно за 12-14 недель, в зависимости от сложности заказа. Размер таких бриллиантов — от 0,25 до 2 карат. Цена различается в зависимости от цвета и размера. Для создания одного карата желтого алмаза, потребуется 100 г праха или 35-40 г волос и 6250 долларов. Для выращивания голубого минерала, затрачивается 500 г пепла или 100 г волос. Его цена начинается от 11750 долларов за карат.

Финансовая сторона вопроса

А теперь прикинем, сколько будут стоить бриллиантовые украшения из искусственных алмазов. Многие недооценивают значимость этих камней, а между тем, их цена иногда выше природных аналогов. Причин несколько:

• визуально они неотличимы;
• у них нет вкраплений, что называется «камень чистой воды»;
• они прочнее, так как не имеют трещин;
• их цвет не тускнеет;
• они менее прихотливы.

Стоимость камней зависит от их массы, качества огранки и методики создания. Наиболее распространенный диоксид циркония (наиболее известное название – фианит), стоит всего 1,5-6 долларов за карат. А вот стоимость муассанита колеблется от 75 до 155 долларов.

Сравнительные характеристики

Прежде чем начать планирование собственного бизнеса по выращиванию искусственных алмазов, важно понять, что синтетический минерал и природный камень – совершенно одинаковы. Соберем вместе все важные для потребителя свойства и сравним их.

Данные для анализа приведены в таблице:

Технология производства синтетических алмазов

Развитие исследований по сочанию аппаратов высокого давления, необходимых для синтеза алмазов, связано с именем пионера исследований в области высоких давлений профессора Гарвардского университета П.У. Бриджмена. Бриджмен быстро понял, что одно только высокое давление не способно превратить графит в алмаз. Согласно теории, алмаз представляет собой стабильную кристаллическую форму углерода уже при давлениях примерно 20 000 атм, но при давлениях в 425 000 атм при комнатной температуре и 70 000 атм при температуре красного каления превращения графита в алмаз не происходило. В то же время алмаз при нормальном атмосферном давлении ведет себя как вполне стабильная фаза.

Превращение алмаза в графит может быть осуществлено при нагреве примерно до 1500 o С, и это позволило предположить, что для обратного превращения при высоких давлениях необходимы температуры того же порядка. Человеком, которому посчастливилось первому осуществить синтез алмаза, был Трейси Холл.

Холл пришел в лабораторию "Дженерал электрик" в 1948 г. и с 1951 г. стал членом небольшой исследовательской группы, занимающейся "Проектом сверхдавления", как были закодированы работы по синтезу алмаза. Хотя Холл был химиком, он понял, что главное препятствие на пути успешного решения проблемы синтеза алмаза - отсутствие оборудования высокого давления, и разработал эскизный проект системы, впоследствии названной "халфбелт". Это был только первый шаг к успеху, но он наметил путь к новой, ставшей знаменитой конструкции "белт" .

16 декабря 1954 г. пришел первый успех. Холл позднее писал: "Руки мои тряслись, учащенно билось сердце, я ощутил слабость в коленях и вынужден был сесть. Мои глаза поймали сверкнувший свет от дюжин мелких треугольных граней октаэдрических кристаллов... и я понял, что наконец-то алмазы сделаны человеком". Этот эксперимент был выполнен при давлении 70 000 атм и температуре 1600 o С с использованием графита и троилита (FeS). Алмазы прилипли к танталовому диску, который используется для подводки электрического тока при нагреве образца.

Тантал, кроме того, восстанавливал FeS до металлического железа, так как присутствие одной серы не может вызвать превращения графита в алмаз. Катализатор играет роль растворителя, в котором графит сначала растворяется, а затем кристаллизуется в виде алмаза. Без металлического растворителя скорость превращения графита в алмаз очень мала, даже если температура и давление достаточны.

Аппарат для синтеза алмаза, предложенный Холлом, назывался "белт" (пояс), потому что центральная часть, где происходит синтез алмазов, поддерживалась кольцом из карбида вольфрама с бандажом из высокопрочной стали. Два конических поршня приводились в движение с помощью большого гидравлического пресса из упрочненной стали. Полученные синтетические алмазы были техническими.

Главная трудность при создании аппаратов высоких давлений и температур заключается в том, что стали и другие конструкционные материалы быстро теряют свою прочность при нагреве. Эту проблему можно решить путем нагрева только внутреннего рабочего объема и соответствующей термоизоляции для предотвращения чрезмерного нагрева поршней и пояса.

Согласно патенту "Дженерал электрик", типичная шихта в реакционной камере представляет собой смесь 5 частей графита, 1 части железа, 1/3 части марганца и 1/3 части пятиокиси ванадия. Эту смесь запечатывали и нагревали до 1700 o С под давлением 95 000 атм в течение 2 мин, затем охлаждали до 1500 o С за 8 мин. Сейчас в качестве растворителя чаще всего используют смесь никеля и железа, позволяющую осуществить синтез алмаза при менее жестких условиях, например при 50 000 атм и 1400 o С. Также доказано, что графит как источник углерода может быть заменен другими органическими материалами: деревом, углем, дегтем, смолой.

Аппарат высокого давления "белт" компания "Дженерал электрик" впоследствии заменила конструкцией тетраэдрического типа, разработанной Холлом примерно в то же время. Главное преимущество ее заключалось в применении относительно дешевых прессов. В первом варианте использовались четыре независимо работавших пресса, смонтированные в симметричной раме и сходящиеся в центральной части рабочего объема. Для другой, более простой модификации, требуется только один гидравлический пресс, а усилия в трех других направлениях возникают за счет взаимодействия поршней с конической поверхностью прочной стальной поддержки. В тетраэдрическое пространство, образуемое внутренними поверхностями этих вставок, монтируется специально изготовленная деталь из пирофиллита с электропечью, представляющей собой графитовую трубку. Электрический ток подводится через два противоположных поршня или через специальные электровводы. В печь помещаются графит и металл-растворитель.

Параллельно с работами "Дженерал электрик" исследования по получению искусственных алмазов велись Всеобщей шведской электрической акционерной компанией, известной как ASEA. Вероятно, группа ASEA не опубликовала детали своего успешного синтеза алмазов в 1953 г. потому, что пыталась получить ювелирный материал и не придавала большого значения очень мелким техническим алмазам. В технологии ASEA применялись давление от 80 000 до 90 000 атм и температура до 2760 o С. Размеры алмазов, получаемых в обоими фирмами, были существенно меньше 1 мм. В опытах ASEA образовывалось 20-50 кристаллов размером 0,1-0,5 мм.

В СССР способ получения синтетических алмазов был разработан в 1960 г. Институтом физики высоких давлений АН СССР. Руководил работами акад. Л.Ф. Верещагин. В 1961 г. в Институте сверхтвердых материалов АН УССР была отработана промышленная технология синтеза алмазов. Процесс осуществляется при температуре 1800-2500 o С и давлении более 50-102 МПа в присутствии катализаторов - хрома, никеля, железа, марганца, платины, кобальта или других металлов. Впоследствии было установлено, что алмазы образуются при кристаллизации углерода из его раствора в расплаве металла-катализатора.

Синтез алмаза проводится в камере типа "чечевица" объемом несколько кубических сантиметров. Нагревание осуществляется индукционным методом или прямым пропусканием электрического тока. При сближении пуансонов реакционная смесь графита с никелем (а также со слоистым пирофиллитом) сжимается. В результате происходит перекристаллизация гексагональной кристаллической решетки графита в кубическую структуру алмаза. Размер кристаллов алмаза зависит от времени синтеза: при времени реакции 3 мин. образуются кристаллы массой около 10 мг, а 30 мин - 70 мг. Наиболее прочные кристаллы получались размером до 0,5-0,8 мм.

Производство ювелирных синтетических алмазов

Приводим схему аппарата, применявшегося для выращивания крупных кристаллов алмаза с использованием переноса углерода в растворе металла.

Не следует думать, что производство синтетических технических алмазов в огромных объемах упрощает задачу получения алмазов таких размеров и такого качества, которые позволяют отнести их к драгоценным камням. Главное препятствие попыткам получить крупные кристаллы - маленький объем, в котором можно поддерживать экстремальные условия давления и температуры. К тому же для выращивания больших кристаллов требуется длительное время.

Способы получения ювелирных алмазов не патентовались до 1967 г., когда Роберт Уэнторф наконец добился успеха в выращивании алмаза на затравке. Затравочный кристалл необходим для предотвращения кристаллизации графита даже тогда, когда условия опыта соответствуют области кристаллизации алмаза. Наиболее трудная проблема при выращивании крупных кристаллов алмаза высокого качества заключается в необходимости поддержания необходимых условий в области его стабильности.

В используемой Уэнторфом методике затравочный кристалл помещался в холодную часть раствора при температуре около 1420 o С, а мелкие кристаллы располагали в нижней части при температуре 1450 o С. Интервал давлений составлял от 55 000 до 60 000 атм. Лучше, если затравочный кристалл помещают в нижней части, потому что некоторые образующиеся вне затравки мелкие кристаллы всплывают в горячую зону и там растворяются, а не растут вокруг затравки.

В некоторых опытах Уэнторфа питающий алмазный материал перекристаллизовывался в графит. Однако исследователи столкнулись и с более серьезной проблемой: максимальная скорость, с которой кристаллы могут стабильно расти, должна уменьшаться по мере того, как кристалл становится крупнее. Установлено, что для кристалла диаметром 1 мм наиболее высокая скорость стабильного роста составляет 0,2 мм/час. Когда размер кристалла достигает 5 мм, стабильный рост может происходить со скоростью 0,04 мм/час и для выращивания кристалла такого размера требуется несколько дней.

Проблема станет еще более серьезной, если пытаться выращивать синтетические алмазы большего размера. В настоящее время крупный синтетический алмаз имеет 6 мм в диаметре и весит 1 карат (0,2 г). Поскольку для выращивания крупных кристаллов более благоприятны низкие скорости роста, а поддержание высоких температур и давлений в течение длительного времени требует значительных затрат, крупные синтетические алмазы оказываются дороже или сопоставимы с ценой природных кристаллов аналогичных размеров. На фото вверху представлены синтетические алмазы массой 1 карат, выращенные Робертом Уэнторфом, и графит, использованный как исходное вещество.

Окрашивание алмазов осуществляется введением в кристаллы различных элементов-примесей. Азот придает зеленую окраску и, вероятно, обусловливает желтый цвет камней, если он присутствует в малых концентрациях. Введение бора придает алмазу синие цвета. Редко встречающиеся синие природные камни, в частности знаменитый алмаз "Хоуп", также обязаны своей окраской присутствию этого элемента. Изучение свойств окрашенных алмазов полезно для понимания некоторых алмазов и способов образования их в природе.

Прямое превращение графита в алмаз

Для прямого перехода графита в алмаз необходимы еще более экстремальные условия по сравнению с методикой, использующей металл-растворитель. Это связано с большой устойчивостью графита, обусловленной очень прочными связями его атомов. Результаты первых эекспериментов по прямому превращению графит-алмаз, выполненных П. Де-Карли и Дж. Джеймисоном из "Аллайд кемикл Корпорэйшн", были опубликованы в 1961 г.

Для создания давления использовалось взрывчатое вещество большой мощности, с помощью которого в течение примерно миллионной доли секунды (одной микросекунды) поддерживалась температура около 1200 o С и давление порядка 300 000 атм. В этих условиях в образце графита после опыта обнаруживалось некоторое количество алмаза в виде очень мелких частичек. Полученные кристаллиты по размерам (100 А = 10 нм, или одна стотысячная доля миллиметра). Они сопоставимы с так называемым "карбонадо", встречающимся в метеоритах, образование которых объясняется воздействием высокой температуры, возникающей при прохождении метеорита через плотные слои атмосферы, и мощной ударной энергии, возникающей при ударе метеорита о земную поверхность.

В 1963 г. Фрэнсису Банди из "Дженерал электрик" удалось осуществить прямое превращение графита в алмаз при статическом давлении, превышающем 130 000 атм. Такие давления были получены на модифицированной установке "белт" с большей внешней поверхностью поршней и меньшим рабочим объемом. Для создания таких давлений потребовалось увеличение прочности силовых деталей установки. Эксперименты включали искровой нагрев бруска графита до температур выше 2000 o С. Нагревание осуществлялось импульсами электрического тока, а температура, необходимая для образования алмаза, сохранялась в течение нескольких миллисекунд (тысячных долей секунды), что существенно дольше, чем в экспериментах Де-Карли и Джеймисона. Размеры новообразованных частиц были в 2-5 раз больше по сравнению с получающимися при ударном сжатии.

В СССР в Институте сверхтвердых материалов АН УССР была отработана подобная технология получения искусственных алмазов. При направленном взрыве происходит мгновенное повышение давления до 200-102 МПа и температуры до 2000 o С и в графите образуются мелкие (до 10-30 мкм) синтетические алмазы.

В 1963 г. В. Ж. Эверсолом (США) был запатентован способ выращивания алмазов из перенасыщенной углеродом газовой фазы (метана, ацетилена или других углеводородов) при давлении ниже 10-102 МПа. Образующаяся избыточная поверхностная энергия на границе графит-воздух способствует формированию зародышей алмазов. Подобный метод независимо был разработан в СССР Б. В. Дерягиным и Д. В. Федосеевым. При давлении ниже атмосферного им удалось получить на затравках из алмаза нитевидные кристаллы синтетического алмаза из газовой фазы. Скорость роста кристаллов очень низкая - около 0,1 мкм/ч.

Внимание этих ученых привлекли предложения по получению алмазов в условиях, при которых стабилен графит, а алмаз метастабилен (метастабильность алмаза означает, что он может в данных условиях оставаться неизменным неограниченное время без обратного перехода в графит). Для превращения графита в алмаз необходимо, чтобы атомы углерода были возбуждены до состояния, характеризующегося высокой энергией. Обычно это достигается приложением высоких давлений и температур. Альтернативная идея основана на том, что если удастся получить атомы углерода с высоким энергетическим уровнем, то при переходе в твердое состояние вероятнее образование метастабильного алмаза, чем стабильного графита. Этому способствует применение затравочных кристаллов алмаза, которые помогают атомам углерода располагаться в порядке, соответствующем алмазной, а не графитовой структуре. Вероятно, наиболее перспективный метод связан с разложением углеродсодержащих газов при достаточно низких давлениях. Обволакивая мелкие кристаллы алмаза, газ разлагается, и атомы углерода осаждаются на поверхность затравочных кристаллов.

Для опытов Эверсола характерны следующие условия: температура в интервале 600-1600 o С, общее давление газа - одна атмосфера, концентрация метана в газовой смеси от 0,015 до 7%. Затравки имели размер всего лишь 0,1 мкм (десятитысячная доля миллиметра) в диаметре, что обеспечивало большую поверхность для осаждения алмазов. Помимо алмаза в газовой фазе образовывались скопления графита, которые осаждались вместе с алмазом на поверхности затравочных кристаллов. Если время от времени не останавливать процесс для удаления графита, его концентрация настолько возрастает, что препятствует дальнейшему осаждению алмаза. Для этого предусматривалось периодическое извлечение алмазов, которые помещались в сосуд высокого давления (от 50 до 200 атм) с водородом и прокаливались при температуре 1000 o С. Водород вступает в реакцию с графитом намного быстрее, чем с алмазом, поэтому такая процедура очищает поверхность затравочных кристаллов для последующего роста алмазов.

Группа Дерягина пришла к выводу, что новообразования графита выгоднее окислять кислородом воздуха при атмосферном давлении. Преимущество этого способа в том, что процесс синтеза и удаление графита осуществляются в одном и том же реакторе, который в окислительную стадию процесса заполняется воздухом. Типичные условия, используемые для выращивания алмаза этим методом, характеризуются температурой 1020 o С и давлением метана 0,07 мм рт. ст.

Наибольшие скорости роста составляют примерно 0,1 мкм в час, что обеспечивает образование во всем объеме реактора около одного карата алмаза в час. Вибрация затравок способствует увеличению поверхности соприкосновения кристаллов с метаном и ведет к улучшению свойств наращиваемого слоя. Еще большие скорости достигаются при облучении поверхности алмазов светом газонаполненной ксеноновой лампы высокого напряжения. Лампа работает в пульсирующем режиме, способствуя быстрому росту алмаза и в значительной степени предотвращая зарождения кристаллитов графита. Сообщалось, что в таких условиях скорости роста достигают нескольких микрометров в час. Иногда при использовании этого метода начинают расти алмазные "усы" - тонкие нити, выступающие из разных мест поверхности затравочного кристалла. Причины такой странной формы роста пока не ясны.

Метод Эверсола в США развивался в основном Дж. Ангусом и его сотрудниками в университете штата Огайо. Используемые ими условия роста: температура 1000 o С, давление метана (в смеси с водородом) 0,2 мм рт. ст. - близки к условиям экспериментов, проводимых группой Дерягина. Прирост веса составляет обычно 6% за 20 ч, что соответствует линейной скорости роста только 0,001 мкм/сут. Более высокие скорости наблюдаются в начальный период процесса, что, вероятно, связано с напряжениями, обусловленными небольшими различиями расстояний между атомами углерода в пленке и кристалле-подложке. Возможно, что очень высокие скорости роста, о которых сообщалось советскими учеными, также характерны только для начальной стадии процесса.

Фирмой "Дженерал Электрик" в 1970 г. был разработан метод получения крупных синтетических кристаллов алмазов ювелирного качества на затравках в виде пластин. Однако стоимость выращивания таких алмазов гораздо выше, чем добыча природных.

Синтетические алмазы широко применяются для производства алмазно-абразивного инструмента, брусков, шлифовальных и отрезных кругов, паст для шлифования, стеклорезов, резцов, буровых коронок, долот и т. д. В настоящее время более 80% потребности в технических алмазах покрывается за счет синтетических. В настоящее время десятки лабораторий в различных странах продолжают поиски более рациональной и эффективной методики выращивания алмазов для технических нужд и ювелирных целей.

Облагораживание алмазов облучением

Рассказ о синтетическом алмазе был бы неполным без информации об использовании ядерного облучения для получения окрашенных кристаллов. Развитие такого метода обработки вызвано чрезвычайной редкостью цветных алмазов, а между тем окрашенный алмаз хорошего качества более чем на 25% дороже своей бесцветной разновидности.

Английский ученый сэр Уильям Крукс обнаружил, что радиоактивное излучение радия превращает бесцветный алмаз в зеленую разновидность. Позднее было установлено, что это изменение окраски происходит в результате бомбардировки кристалла альфа-частицами, но захватывает только внешний слой алмаза из-за слабой проникающей способности альфа-частиц в твердое тело. Метод обработки алмаза облучением пребывал в забвении до нового витка развития в конце 40-х годов XX века ядерной физики.

Дейтронами бомбардировали кристаллы алмаза. Алмаз оставался сильно радиоактивным в течение нескольких часов, но и в этом случае окрашивался только внешний слой. Было установлено, что бомбардировка электронами с высокой энергией приводит к окрашиванию алмаза в бледно-голубой или зеленый цвет, но опять-таки окрашивался лишь тонкий слой. А вот нейтроны, обладающие более высокой проникающей способностью, могут изменить окраску всего камня. После облучения ими алмазы становятся зелеными, однако нагревание в инертном газе при 900 o С меняет их цвет сначала на коричневый, а затем на золотисто-желтый. Облученные алмазы золотисто-желтого цвета намного привлекательней, чем зеленые или коричневые, они очень популярны в Соединенных Штатах.

В некоторых случаях реакция алмазов на облучение более разнообразна, и можно получить кристаллы синего, красного и пурпурного цветов. Это различие в окраске обусловлено примесями, присутствующими в алмазах. Большинство алмазов, так называемые алмазы типа I, содержат в качестве примеси азот, который внедряется в кристалл предположительно в промежуточную стадию между образованием алмаза в недрах Земли и временем, когда он попадает в приповерхностные ее участки. В большинстве алмазов азот распределен в виде тончайших пластин, но в одном из тысячи он распределен равномерно во всем объеме кристалла. Последний тип кристаллов назван Iб, тогда как наиболее распространенные отнесены к типу Iа.

Менее распространенный тип II объединяет чистые алмазы, почти не содержащие азота. К нему относятся наиболее крупные камни. Наиболее часто встречающиеся алмазы этого типа классифицируются как тип IIа, а очень редкие содержащие небольшие концентрации примесного алюминия, как тип IIб. Среди алмазов типов I6 и II6 встречаются кристаллы красного и фиолетового цветов, вследствие чего они дороже алмазов обычного типа.

В таблице ниже приведены сведения о цвете поступающих в продажу облученных алмазов. Вообще имеет смысл облучать только крупные кристаллы, поскольку повышение цены мелких алмазов не оправдывает затрат на их обработку.

Поскольку в наше время обработка алмазов для изменения их окраски распространена достаточно широко, возникла новая проблема. Некоторые даже подконтрольно облученные алмазы в течение длительного времени могут оставаться радиоактивными в связи с присутствием примесей долгоживущих радиоактивных изотопов. Насколько эта проблема серьезна - до конца не ясно. Но если некоторая опасность для владельца облученного камня существует, он должен быть осведомлен о результатах контроля на остаточную радиоактивность и об опасном методе облагораживания минерала. В любом случае бесконтрольное облагораживание камней в третьих странах делает эти камни опасными, так как неизвестно, чем именно камень облучали и каковы последствия этого облучения. Покупатель должен иметь выбор осознанно отказаться от потенциально опасной покупки.

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

Ценность алмазов

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

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

Как возникли синтетические алмазы

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

Технологии производства алмазов

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

Выращивание алмаза метаном

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

Виды искусственных алмазов

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

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

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

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

Где применяются синтетические алмазы

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

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

Как создать искусственный алмаз в домашних условиях

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

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

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

Стоимость искусственного алмаза

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

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

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

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

Мировые лидеры

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

Алмаз, так же как и графит, по своему химическому составу пред­ставляет собой чистый углерод. Они являются полиморфными модифика­циями одного и того же элемента, однако свойства их резко различаются. Это объясняется различием их кристаллических решеток.

Алмаз был известен в далеком прошлом, широко применяется в на­стоящем, велики перспективы его использования в будущем. С развитием техники, когда возникла необходимость в новых видах минерального сы­рья, в частности для обработки камня, металлов, твердых синтетических материалов, алмаз приобрел как бы вторую жизнь. В настоящее время су­ществование всей обрабатывающей промышленности и машиностроения (от создания мощных агрегатов до изготовления тончайших механизмов и приборов) практически немыслимо без применения алмазов. Сейчас алмазы очень широко используются как абразивный материал (абразивные порош­ки, пасты, шлифовальные круги, алмазные пилы, стеклорезы и т.д.), что ос­новано прежде всего на их чрезвычайно высокой твердости. Б последние годы все больше привлекают внимание другие исключительные свойства алмаза: его.электрические свойства при использовании в качестве полупро­водников, высокое светопреломление - в оптических приборах. Находит применение его практическая амагнитность. Алмаз как кристаллическое вещество благодаря плотной упаковке атомов углерода может стать нако­пителем и хранителем обширной информации.

Плотность алмаза 3,513 г/см 3 , микротвердость 100,6 ГПа, модуль уп­ругости 825 ГПа, удельное электросопротивление 10 12 - 10 14 Ом-см. Кроме углерода в кристалле алмаза всегда присутствует некоторое количество примесей, составляющих не более десятых долей процента. Основные хи­мические элементы - примеси в алмазе: азот, кислород, водород, Fe, Ti, Mn, Si,Al.

Как известно, основные факторы, способствующие образованию ал­мазов - высокие давления и температура, которые имеют место в земных недрах на большой глубине.

Искусственные алмазы начали получать в целом ряде стран в сере­дине 50-х годов XX века. Внедрение синтетических алмазов избавило от необходимости дробить большую часть природных алмазов для изготовле­ния порошков, паст и абразивного инструмента. Выпускаются синтетиче­ские алмазы марок АСО, АСР, АСВ, АСК, АСС, САМ, АСБ и АСПК, а также микропорошки на основе синтетических алмазов АСМ и АСН разме­ром от 1 до 630 нм.

Применяются синтетические алмазы главным образом для изготов­ления различных видов абразивного, лезвийного и бурового инструмента. Важнейшими областями применения алмазных инструментов являются об­работка инструментов и деталей машин из металлокерамических твердых сплавов, бурение геологических и эксплуатационных скважин в твердых и абразивных породах, обработка изделий из гранита, мрамора и др. Наибо­лее широко порошкообразные синтетические алмазы применяются для из­готовления шлифовальных кругов, предназначенных для доводки и заточки твердосплавного металлорежущего инструмента.

В настоящее время известны три метода синтеза алмазов:

в области термодинамической стабильности алмаза воздействи­ем на исходный углеродсодержащий материал высоким статическим давле­нием и температурой в.течение времени, измеряемого по крайней мере не­сколькими секундами; .

в области термодинамической стабильности алмаза воздействи­ем на исходный углеродсодержащий материал высоким динамическим дав­лением и температурой в течение времени, измеряемого микросекундами и долями микросекунд;

в области термодинамической стабильности графита, осущест­вляемой при атмосферном и меньшем давлениях и высокой температуре эпитаксиальным наращиванием алмаза на затравках.

Основная масса синтетических алмазов производится во всем мире по первому методу, т.е. при высоких статических давлениях. Отрицатель­ной чертой второго метода является кратковременность действия высоких давлений и температур, из-за чего зародившиеся кристаллы новой фазы лишены возможности длительного роста и образуют поэтому весьма мелкие частицы.

Третий метод получения алмазов требует очень точного соблюдения условий проведения процесса. В противном случае на поверхности затра­вочных кристаллов будет образовываться как алмаз, так и графит, а затем графит покроет всю поверхность, и рост алмазной фазы прекратится.

Рациональное сочетание трех условий, необходимых для синтеза ал­мазов (температуры, давления и наличия определенной среды) лежит в ос­нове методов производства синтетических алмазов при высоких статиче­ских давлениях, используемых во многих странах мира.

Многочисленные исследования отечественных и зарубежных уче­ных в области синтеза алмазов позволили предложить механизм превраще­ния графита в алмаз, который подробно описывается в различных литера­турных источниках и объясняется перестройкой связи электронной конфи­гурации sp в sp 3 .

Как уже было сказано выше, для синтеза алмазов используются уг-леродсодержащие материалы: стеклоуглерод, кокс, синтетические смолы и, конечно, графит. Однако следует знать, что при синтезе алмазов исходное сырье обязательно проходит стадию графитации. Углеродсодержащее ве­щество до термообработки должно быть максимально однородным по хи­мическому составу. Кроме того, распределение областей когерентного рас­сеяния (ОКР) по размерам должно быть достаточно узким.

Нецелесообразно использовать в качестве исходного углеродсодер-жащего вещества сажу, так как она очень мелкодисперсна. Это затрудняет набивку камер аппаратов высокого давления.

На практике в технологии синтеза алмазов используются определен­ные марки графита МПГ-6, ГМ-ОЗОСЧ, МГ-ОСЧ и т.д. В этом случае обра­зуются алмазы с высоким выходом и хорошего качества. Качество синтези­рованных алмазов определяется их размерами и твердостью.

Поскольку синтез алмазов протекает при высоких давлениях и тем­пературах, то необходимо иметь надежные аппараты для твердофазного синтеза, в которых достаточно длительное время можно поддерживать и высокие давления, и температуры. Нужно уметь измерять такие давления и температуры, определять степень их однородности в реакционной зоне.

Синтез алмазов проводится в специальных камерах, изготовленных из высокопрочных материалов. Такими материалами являются твердые сплавы на основе карбида вольфрама и кобальта. Подъем температуры в подобных аппаратах осуществляется пропусканием электрического тока через нагревательное устройство.

Конструкции камер высокого давления, где создаются температуры от 727°С до 2227°С весьма различны. Среди множества аппаратов такого рода рассмотрим кратко три вида наиболее распространенных конструкций: многопуансонный аппарат, аппарат типа «цилиндр - поршень» и аппарат типа «наковальня с лункой».

Представителем первого вида является тетраэдрическая установка схема которой представлена на рис. 1.14. Камера состоит из четырех пуан­сонов с усеченными трехгранными концами. Торцы этих пуансонов имею: вид равносторонних треугольников и ограничивают тетраэдрический объ

Рис. 1.14. Схема тетраэдрического аппарата высокого давления; а -- схема расположения 4 пуансонов; б - установка в

Сборе, верхний пуансон удален

С помощью четырех гидравлических прессов, симметрично распс ложенных в пространстве, пуансоны двигаются вдоль своей оси, образу рабочий -объем. В него помещается контейнер из рабочего вещества, вь: полненный в виде тетраэдра.

Рабочее вещество - это вещество, посредством которого передаете давление во всех установках, где проводятся высокотемпературные иссж давания при высоких давлениях. Оно должно быть твердым телом с мало сжимаемостью и удовлетворять следующим условиям:

иметь высокую температуру плавления и малую теплопровод ность;

не проводить электрический ток; быть химически инертным;

быть достаточно пластичным, чтобы с его помощью можно бь ло получать более или менее равномерное (квазигидростатическое) давл(ние в определенном объеме.

Нагреватель (чаще всего графитовая трубка) заполняется реакцию] ной шихтой и вкладывается в тетраэдрический контейнер так, чтобы конц нагревателя выходили из противоположных ребер тетраэдра. При сближ-нии пуансонов они сжимают тетраэдрический контейнер. Часть рабоче) вещества вытекает в зазоры между пуансонами, образуя уплотняющие пр< кладки. Электрический ток для создания нужной температуры подводится нагревателю через пуансоны, соприкасающиеся с нагревательным устрой­ством.

В настоящее время для изготовления контейнеров, работающих при высоких давлениях и температурах (10 ГПа и 2700°С), применяют в основ­ном четыре вещества: тальк или стеатит 3MgO-4SiOrH 2 O, пирофиллит Al 2 O 3 -4Si0 2 -H 2 O, литографский камень 95% СаСОз + 5% смеси 8Ю 2 , А1 2 0 3 , Fe 2 0 3 и катлинит - красную кремнистую сцементированную глину, место­рождения которой находятся в США. Они несколько различаются между собой по механическим свойствам и по термоустойчивости.

Контейнеры могут изготовляться как из блоков соответствующих минералов, так и прессованием порошков из этих минералов с употребле­нием различных связок (жидкое стекло, бакелит и др.).

Описанная тетраэдрическая камера требует приложения к ней уси­лия прессового устройства по четырем осям, что вызывает немалые трудно­сти, поэтому создают камеры, где сжатие осуществляется одним поршнем от какого-либо прессового агрегата. Ввиду этого значительное распростра­нение получили аппараты типа «цилиндр - поршень», так называемые белт-аппараты (belt 1 - пояс). Схема аппарата показана на рис.1.15.