Меню
ГлавнаяПледы и одеяла

Свойства и методы производства искусственных алмазов. Искусственный бриллиант - муассанит

Алмазы издавна использовались в качестве самых изысканных украшений. Ювелиры разделяют алмазы почти на тысячи сортов в зависимости от прозрачности, тона, густоты и равномерности окраски, наличия трещин, минеральных включений и некоторых других признаков . В конце ХХ века алмазы начинают применяться на производстве. В настоящее время экономический потенциал наиболее развитых государств в значительной мере связывается с использованием ими алмазов .

Какие же свойства алмаза определяют его широкое использование в самых различных областях народного хозяйства? В первую очередь, конечно, исключительная твердость, которая, если судить по скорости стирания, в 150 раз выше, чем у корунда, и в десятки раз лучше, чем у лучших сплавов, применяемых для изготавления резцов. Благодаря этому свойству алмаз применяется при бурении горных пород.

Впервые геологи стали использовать натуральные алмазы в бурении для колонковых долот приблизительно в 1910 г., при помощи таких долот делались кольцевые отверстия в породе, через которые извлекали керн - образцы породы для анализа. Впервые алмазные долота ввели для бурения нефтяных скважин в начале 1920 г., с тех пор они широко используются. Для долот используются природные алмазы не технического, а ювелирного качества, которые вытачивают до особого размера и придают правильную, округлую форму.

Исключительная твёрдость алмазов позволяет использовать их при механической обработке самых разнообразных материалов, для протягивания (волочения) тонкой проволоки, в качестве абразива и т.п. .

Более половины добычи технических алмазов идёт на изготовление специального инструмента для обрабатывающей промышленности. Применение алмазных резцов и свёрл на обработку цветных и черных металлов, твердых и сверхтвердых сплавов, стекла, каучука, пластмасс и других синтетических веществ даёт огромный экономический эффект по сравнению с использованием твердосплавного инструмента. Чрезвычайно важно, что при этом не только в десятки раз повышается производительность труда (при токарной обработке пластмасс даже в сотни раз!), но одновременно значительно улучшается качество продукции. Обработанные алмазным резцом поверхности не требуют шлифовки, на них практически отсутствуют микротрещины, в результате чего многократно увеличивается срок службы получаемых деталей.

Практически все современные отрасли промышленности, в первую очередь электротехническая, радиоэлектронная и приборостроительная, в огромных количествах используют тонкую проволоку, изготавливаемую из различных материалов. При этом предъявляются строгие требования к круговой форме и неизменности диаметра поперечного сечения проволоки при высокой чистоте поверхности. Такая проволока из твердых металлов и сплавов (вольфрама, хромоникелевой стали и др.) может быть изготовлена лишь с помощью алмазных фильер. Фильеры представляют собой пластинчатые алмазы с просверленными в них тончайшими отверстиями .

Широкое применение в промышленности находят и алмазные порошки. Их получают путем дробления низкосортных природных алмазов, а также изготавливают на специальных предприятиях по производству синтетических алмазов .

Алмазные порошки находят применение на гранильных фабриках, где все самоцветы, и в том числе алмазы, подвергаются огранке и шлифовке, благодаря чему невзрачные до этого камни становятся таинственно светящимися или ослепительно сверкающими драгоценностями, к неповторимой красоте которых никто не останется равнодушным.

Алмазные порошки используются в дисковых алмазных пилах, мелкоалмазных буровых коронках, специальных напильниках и в качестве абразива. Только с применением алмазных порошков удалось создать уникальные свёрла, которые обеспечивают получение глубоких тонких отверстий в твёрдых и хрупких материалах.

В алмазе под действием заряженной частицы происходит световая вспышка и возникает импульс тока. Эти свойства позволяют использовать алмазы в качестве детекторов ядерного излучения. Свечение алмазов и возникновение импульсов электрического тока при облучении позволяет применять их в счётчиках быстрых частиц. Алмаз в качестве такого счётчика обладает неоспоримыми преимуществами по сравнению с газовыми и другими кристаллическими приборами.

В России после открытия якутских месторождений была создана алмазодобывающая промышленность . В значительных масштабах у нас производятся и синтетические алмазы. В настоящее время они находят всё большее применение в разных отраслях хозяйства .

Синтезированные алмазы не являются аналогами природных . Это означает, что в лабораторных условиях ещё не разработан способ синтеза алмазов аналогичный тому, который реализуется в природе.

Синтез искусственных алмазов был впервые осуществлен в 1953 г. в Швеции и США, и в 1959 г. в СССР. Однако получаемые в те времена кристаллы алмаза могли быть использованы лишь в качестве абразивного материала, поскольку размеры отдельных кристаллов не превышали 0,8 мм и имели невысокую механическую прочность. Синтез крупных монокристаллов алмаза, который был реализован много позднее, сопряжен с большими сложностями технического и экономического характера. В этом отношении наиболее перспективной для технического применения является шаровидная (диаметром 6-7 мм) лучисто-радиальная форма алмаза или баллас, которая обладает прочностью даже более высокой, чем монокристаллы алмаза и наиболее проста в получении . Вследствие этого основные усилия научного коллектива были направлены на синтез этой модификации, которая и была в 1963 г. впервые в мире получена на кафедре физики и химии высоких давлений.

Испытание синтетических балласов в буровой технике показало их высокую эффективность при проходке скважин в разнообразных грунтах, но особенно широко синтетический баллас применяется сейчас для изготовления волок в производстве проволоки.

Наряду с отработкой методов синтеза алмазов проводятся исследования физико-химических свойств получаемых веществ и изучение механизма их синтеза. Последняя проблема представляет наибольший научный интерес.

В настоящее время существует три основных варианта рассмотрения механизма образования алмаза - наиболее простой, описывающий кристаллизацию алмаза из расплава графита в РТ области стабильности алмаза (> 100 кбар ~ 2000єС) и два дискуссионных варианта - кристаллизация алмаза из раствора графита в металле - «катализаторе» и фазовый переход графита в алмаз в твёрдой фазе в присутствии металлов - «катализаторов». Оба последних процесса протекают в более мягких условиях (40-60 кбар, 1400-1600єС) по сравнению с «прямым» фазовым переходом. Исследования механизма алмазообразования по дискуссионным вариантам, проведенные на кафедре, показали их равновероятность. Реализация на практике того или иного механизма будет определяться природой углеродсодержащего сырья (например, его склонностью к графитизации), или природой металла катализатора, например, способностью к карбидообразованию и устойчивостью карбидных форм в РТ области синтеза алмаза или какими-либо другими причинами.

Первые оценки условий превращения графита в алмаз, сделанные О.И. Лейпунским (1948), показали, что такой переход возможен при давлении Р= 6 ГПа и температуре Т=2300єК. В настоящее время алмазы синтезируются с применением различных технологий, определяемых фазовой диаграммой углерода в координатах давление - температура (Р-Т) в области термодинамической устойчивости алмаза при Р>4ГПа, T>1270єК; в метастабильных для алмаза условиях при Р от 1 до 100 ГПа и Т от 870 до 1070єК. В первом случае синтез происходит в конденсированной фазе (давления либо статические, либо динамические). Во втором случае образование алмазов происходит в результате конденсации углерода из газовой фазы .

Таким образом, благодаря уникальным свойствам, и, прежде всего, необычайной твёрдости и устойчивости к изнашиванию, природные и искусственные алмазы находят широкое применение в современных технологиях и механизмах. Но наиболее известным и популярным остаётся использование природных алмазов для изготовления бриллиантов и ювелирных украшений. Алмазы по-прежнему остаются наиболее покупаемыми ювелирными камнями. В последние годы Россия удерживает рекордные позиции по добыче алмазов (Приложение 5). Только в 2006 г. Россия экспортировала алмазов на сумму 1,7 млрд. долларов, из них 78% - в страны Евросоюза .

Сейчас уже хорошо известно, что алмаз представляет собой модификацию углерода высокого давления. Технические алмазы сейчас получают при огромных давлениях (40-60 тысяч атмосфер) и температурах, т.е. при условиях, близких к природному процессу формирования алмазов с точки зрения мантийной теории происхождения алмазов.

Однако, в ходе исследования нам удалось выяснить, что мантийная теория не является основной в научных взглядах на проблему происхождения алмазов. Более того, описаны факты и процессы, которые противоречат основным положениям этой теории. На сегодняшний день не существует ни одной гипотезы, которая бы в полной мере и научно достоверно описала процесс природного образования алмазов.

В то же время, все физико-химические свойства алмазов подробно изучены и описаны в научной литературе. Уникальные свойства алмазов позволяют использовать эти минералы в различных отраслях хозяйства. Самые чистые и крупные алмазы имеют большую ювелирную ценность.

Бояться пришествия искусственных алмазов стоит не группе De Beers, а компании Intel

Метод Gemesis Высокое давление, высокие температуры. Кристалл вырастает в камере, имитирующей условия земной коры.

Метод Apollo Химическое осаждение паров. Кристалл получается, когда из облака плазмы идет дождь, который попадает на алмазную подложку.

Искусственные микроалмазы для промышленного применения.

Современная сенсация — синтетические ювелирные алмазы

Аарон Вейнгаартен смотрит на желтый алмаз сквозь ювелирную лупу. Мы в Антверпене, в гостиной Вейнгаартена, полной мрамора и позолоты, на самом краю района ювелиров, в самом центре алмазной вселенной. Почти 80% всех алмазов и бриллиантов в мире проходят через руки бельгийских торговцев камнями вроде Вейнгаартена, который носит окладистую бороду и черный костюм ортодоксального еврея. «Камень очень редкий, — бормочет себе под нос ювелир, — желтые алмазы такого оттенка найти очень непросто. Этот стоит 10, может, 15 тысяч долларов». Я сообщаю ему, что в кармане у меня два точно таких же. Он кладет камень на стол и в первый раз смотрит на меня серьезно. Я выкладываю еще два камня. Все они одного цвета и размера. Вероятность найти три одинаковых желтых алмаза примерно такая же, как бросить монету 10 тысяч раз и ни разу не увидеть орла. «Это что, кубическая окись циркония (в России этот камень больше известен под названием «фианит»)?» — не особенно надеясь на положительный ответ, спрашивает Вейнгаартен. Я отвечаю, что все алмазы — настоящие, их изготовила машина, находящаяся во Флориде. Общая стоимость производства не превысила сотни долларов. Ювелир ерзает на стуле, неотрывно следя за камнями, которые лежат на столе в его гостиной. «Если их нельзя отличить, индустрии придет конец», — резюмирует он.

При температуре 1200оС под давлением примерно 50 тыс. атмосфер углерод кристаллизуется в самый твердый из известных материалов. Именно так сформировались алмазы глубоко в земной коре 3,3 млрд. лет назад. Воссоздать такие условия в лаборатории непросто, но попыток предпринималось немало. Начиная с середины XIX века десятки «алхимиков» пострадали в результате несчастных случаев, происшедших при попытках изготовить алмазы. Последние десятилетия принесли успех, пускай скромный. Начиная с 1950-х инженеры научились вырабатывать мелкие кристаллы для промышленного применения — покрытия пил, буровых коронок и шлифовальных кругов. Но летом 2003 года на рынок попала первая волна искусственных алмазов ювелирного качества. Делать их научились две компании — Gemesis во Флориде и Apollo Diamond в Бостоне.

Неожиданный выход на рынок искусственных камней грозит необратимо трансформировать алмазную индустрию, ежегодный оборот которой оценивается в $7 млрд. Но важнее другое — массовое производство алмазов открывает двери разработке алмазных полупроводников. Оказывается, алмаз — не только самый твердый камень на земле, он также обладает самой высокой теплопроводностью. Сегодняшние полупроводники греются примерно до 100оС, а при дальнейшем нагревании просто перестают работать. Алмазные микросхемы, напротив, можно греть до температур, когда обычный кремний уже давно бы расплавился.

Бригадный генерал

Международный концерн De Beers уже 115 лет как монополизировал алмазный бизнес, уничтожая конкурентов путем регулирования предложения алмазов на рынке. За свою долгую историю De Beers пережила многочисленные африканские восстания, боролась с американским антимонопольным законодательством, уклонялась от обвинений в эксплуатации несчастных рабочих третьего мира. Не сломило ее монополию и открытие многочисленных алмазных месторождений в Австралии, Канаде и Сибири. У компании громадный рекламный бюджет и полный Контроль над каналами распространения камней. Но чего у De Beers нет — так это отставного бригадного генерала Картера Кларка.

Картеру Кларку 75 лет. Он ушел в отставку более 30 лет назад, но командных навыков так и не утратил. Когда генерал появляется в офисе компании Gemesis, которую он основал в 1996 году с целью наладить массовое производство алмазов, сотрудники встают в приветствии. Иначе нельзя. Особенно учитывая, что «Генерал», как его тут прозвали, постоянно отдает своим подчиненным честь, как будто они — его армия, которая идет в бой. «Я был в Корее и Вьетнаме», — сообщает Генерал, отдав мне честь в приемной. — Так что уж поверьте, справлюсь и с алмазным бизнесом". Кларк показывает мне свою новую фабрику, расположенную в промышленной зоне недалеко от города Сарасота (Флорида). В здании планируется разместить машины для производства алмазов, которые похожи на медицинские приборы поддержания жизни. В строю 27 таких машин. Компания Gemesis надеется вводить в строй по 8 штук ежемесячно. В этом ангаре их число должно достичь 250-ти. Другими словами, Gemesis готовит первый удар по алмазному бизнесу.

Кларк не собирался становиться алмазным королем. Идея пришла случайно, во время его поездки в Москву в 1995 году. Его тогдашняя компания — Security Tag Systems — была одной из первых, кто привез в Россию метки, мешавшие воровать вещи из магазинов. Так он познакомился с Юрием Семеновым, который руководил одним из научно-технических бюро, по государственной программе занимавшихся продажей военных технологий советских времен западным инвесторам. Но у Семенова была идея получше — он предложил Генералу выращивать алмазы. Через несколько часов у Кларка на столе лежал проект двухтонного агрегата, который при помощи гидравлики и электричества фокусировал все возрастающие объемы тепла и давления в центре сферы. Генералу сообщили, что прибор воссоздает условия, существующие на глубине 150 км под землей, где и формируются алмазы. Поместите осколок алмаза в земную кору, добавьте углерода, и алмаз станет расти. В 1954 году компания General Electric именно так и поступила, прессом в 400 тонн выдавив душу из углерода. Устройство General Electric позволяло вырабатывать недорогую алмазную пыль для промышленного применения, а в начале 1970-х компания научилась делать алмазы весом целых 2 карата. Но для этого требовалось столько усилий и электроэнергии, что получалось дороже, чем купить настоящий алмаз из шахты. Русские утверждали, что их конструкция недорога, потребляет не больше энергии, чем несколько ламп накаливания, и будет выдавать по трехкаратному камню раз в несколько дней. И что Генерал сможет получить такую машину всего за $57 тыс.

Три месяца спустя, зимой, Кларк вернулся в Москву. Его встретили телохранители и отвезли на склад под Москвой. В холодном, неотапливаемом помещении он наблюдал, как Николай Полушин — один из сибирских ученых, придумавших устройство — поднял верхнюю половинку сферы, достал небольшой керамический куб, ударил по нему молотком и передал Кларку небольшой алмаз. Все улыбались. В конце концов Генерал заказал три машины и попросил Семенова отправить их во Флориду.

Русские машины

Но существовали и две проблемы. Во‑первых, никто в США не умел работать с такими машинами. Эту проблему Кларк решил, переселив команду русских во Флориду. Во‑вторых, русские и сами-то не слишком хорошо овладели процессом. Работу машины пока нельзя было назвать надежной. Генералу и его новой компании Gemesis срочно была нужна помощь. Он обратился к иранцу по имени Реза Аббашайн, эксперту в области кристаллов, который возглавлял кафедру материаловедения в университете штата Флорида. Аббашайн согласился доработать машину. При помощи своих студентов он выкинул всю русскую автоматику и установил компьютерные системы. Коллектив заменил блок питания и методично отслеживал малейшие нюансы работы машины. Учитывая, что приходилось одновременно контролировать более 200 параметров, работа была нелегкой.

К 1999 году усилиями Аббашайна у Генерала были очень высококачественные камни. И Кларк полетел в Лондон, чтобы показать их группе потенциальных инвесторов. Вместо того чтобы просто высыпать груду алмазов перед ними на стол, он отправился к ювелиру в Хаттон Гарден, алмазный район британской столицы, и попросил, чтобы его камни оправили в кольца. Ювелир согласился, и Кларк вернулся в свой отель. Зазвонил телефон. На проводе была компания De Beers. По словам Кларка, чиновника из De Beers Джеймса Эванса Ломби предупредили о синтетических камнях менее чем через два часа после их прибытия к ювелиру. Ломби попросил о встрече с Генералом и приехал прямо в гостиницу, где и состоялась их беседа за чаем под звуки пианино и скрипичного дуэта.

Представители компании De Beers отказываются говорить об этой встрече — да и обо всем остальном, касающемся этой истории — но Кларк рассказывает, что просто выложил свои козыри. «Когда я сообщил, что собираюсь открыть фабрику по массовому производству таких камней, чиновник побелел. В De Beers знали о существовании технологии, но надеялись, что она так и останется в России и никто не сможет довести ее до ума. К концу разговора его руки тряслись», — вспоминает Кларк.

Но De Beers не сдавалась. В течение 2000 года картель запустил «Программу защиты камней», цель которой — информировать покупателей алмазов о том, что на рынке появились искусственные камни, и стал поставлять свои проверочные машины (модели DiamondSure и DiamondView) в крупнейшие в мире ювелирные лаборатории. Раньше такие лаборатории анализировали и сертифицировали цвет, прозрачность и размер камней. Теперь их просят также отличать рукодельные камни от ископаемых. Прибор DiamondSure просвечивает камень и анализирует показатель преломления. Если камень кажется подозрительным, его проверяют на приборе DiamondView, который выясняет внутреннюю структуру алмаза. Еще в 1996 году ученые De Beers писали, что идеально было бы иметь простой прибор, который смог бы отличать искусственные алмазы от натуральных. Но, к сожалению, в ближайшее время такой прибор создать не удастся, поскольку синтетические алмазы — все равно алмазы, как химически, так и физически.

Синтетика

Летом 2001 года Аббашайн сообщил Генералу, что готов, наконец, к массовой выработке алмазов. Оставалось принять одно, последнее решение. Каждая машина могла вырабатывать по одному желтому камню весом три карата каждые три дня (бесцветные камни вырабатываются дольше). Учитывая их редкость, удельная цена карата желтых алмазов настолько выше, что позволить себе такие камни могут только очень богатые люди. К тому же за последние годы цветные алмазы вошли в моду (в обручальном кольце у Дженнифер Лопез, например, был розовый алмаз). Кларк решил, что вызовет наибольший шум, принеся желтые камни на рынок американского «среднего класса». Он собирался конкурировать как по цене (продавая свои камни на 10%-50% дешевле), так и по стилю. И, в случае победы на рынке желтых камней, перейти на рынок бесцветных. Но алмазная индустрия нанесла ответный удар. В начале 2002 года De Beers начала поставки улучшенных моделей DiamondSure. Тем временем лоббисты добились требования Федеральной торговой комиссии США, чтобы Gemesis маркировала свои камни как синтетические.

Gemesis строит свой маркетинг на утверждении, что синтетические камни лучше натуральных. Генерал предлагает называть свои алмазы «культивированными». Это намеренная отсылка к бешено популярному (и гораздо более ценному, чем натуральный) искусственному жемчугу.

«Если вы предложите женщине выбрать между 2-каратным и 1-каратным алмазом, что она, по‑вашему, выберет при прочих равных? — вопрошает Генерал. — Важно ли ей, какие из них натуральные? Будут ли к ней подходить с вопросами о натуральности камней в ее украшениях?» «Да ни за что!» — отвечает он сам себе. С ним не согласен Джеф Ван Ройен, который представляет Высший алмазный совет Бельгии: «Если люди по‑настоящему любят друг друга, они дарят настоящие камни. Не может быть символом вечной любви нечто, созданное на прошлой неделе».

Это и есть официальная линия De Beers. Ван Ройену не нравится аналогия с искусственным жемчугом, скорее уж речь может идти о синтетических изумрудах, которые появились в огромных количествах в середине 1970-х. Вначале цена была очень высокой, но ювелирные лаборатории быстро поняли, что отличить синтетику можно с помощью обычного микроскопа. Цена упала, и теперь они стоят не более 3% от натуральных.

Новая угроза

Ван Ройен рассказал мне и о другой угрозе. Ходят слухи о новой методике выращивания алмазов ювелирного качества. Процесс представляет собой химическое осаждение паров (chemical vapor deposition — CVD) и уже более десятилетия используется для покрытия больших поверхностей микроскопическими кристаллами алмазов. Эта технология основана на превращении углерода в плазму, которая затем осаждается на подложку в виде алмазов. Ранее существовала только одна проблема — никто не мог научиться выращивать таким образом цельный алмаз. «По крайней мере, до сих пор было так», — добавляет Ван Ройен. Компания Apollo Diamond, темная лошадка из Бостона, по слухам, научилась. Если это правда — индустрии и правда грозит крах, так как алмазы, созданные по технологии CVD, можно выращивать огромными брикетами, а после резки и полировки они будут неотличимы от натуральных камней. «Но таких алмазов никто в Антверпене не видел, так что мы даже не знаем, существуют ли они на самом деле», — говорит Ван Ройен. Тогда я достаю из кармана коробочку от 35-мм фотопленки и кладу ее на стол. Внутри, на подушечках, лежат два маленьких алмаза. «Поверьте мне, они существуют», — сообщаю я ученому.

Темная лошадка

За три дня до поездки в Бельгию я слетал в Бостон и встретился с Бриантом Линаресом, президентом компании Apollo Diamond. После 45-ми-нутной беседы в машине он, видимо, решил, что со мной все в порядке и я не шпион De Beers. Мы вошли в помещение, и я увидел человека, с головы до ног одетого в герметичный костюм, хорошо известный благодаря рекламе Intel. «Добро пожаловать в компанию Apollo Diamond», — подтолкнул меня Линарес и быстро закрыл дверь. Он выдал мне герметичный костюм, в том числе бутсы, очки и шапочку для волос. В комнате были трое в похожей одежде. Они стояли вокруг цилиндрического аппарата, похожего на промышленный кофейник, оборудованного засовом на иллюминаторе. Из окошка светило сверхъестественным зеленым. Я заглянул через стекло. Там, за мерцающим зеленым облаком, росли четыре алмаза. «К этому я шел очень долго», — рассказал мне один из людей, стоявших возле машины. Это Роберт Линарес, отец Брианта. В 1980-х он был известным исследователем в области сложных полупроводников. Его компания, Spectrum Technology, известна благодаря вводу в производство технологии использования пластин арсенида галлия в качестве полупроводниковой подложки, заменившей кремний и позволившей сотовым телефонам стать меньше и использовать большую полосу частот. Линарес-старший продал свою компанию корпорации PacifiCorp и в 1985 году исчез из мира полупроводников. Оказывается, на свои деньги он построил секретную лабораторию для исследования алмазов. «Я понимал, что рано или поздно алмазы станут совершенными полупроводниками, хоть никто в это и не верил. После продажи компании я мог делать что хотел, и я потратил 15 лет на собственные исследования», — рассказал Линарес.

Чтобы вырастить монокристалл алмаза методом CVD, сначала нужно угадать точное сочетание температуры, плотности газа и давления, «ту самую точку», в которой начинается создание единого кристалла. В противном случае на вас прольется дождь из несчетного количества мелких алмазов. Найти «ту самую точку» примерно так же непросто, как найти конкретную песчинку на берегу. Из миллионов комбинаций подходит только одна. И в 1996 году Линарес ее нашел. А в июне 2003 года он, наконец, получил патент на свой процесс и уже вырабатывает безупречные алмазы, планируя вскоре начать продажу камней на ювелирном рынке. Но это — только первый шаг. На деньги от продажи камней Роберт и Бриант Линаресы рассчитывают заняться разработкой алмазных полупроводников. Неудивительно, что алмазная индустрия не в восторге от их планов, в чем убедился Линарес-младший пять лет назад, посетив конференцию в Праге. Во время перерыва к Линаресу подошел человек и посоветовал быть осторожнее. «Он сказал, что исследования моего отца — верный путь получить пулю в голову», — вспоминает Линарес.

Пять долларов за карат

Алмазная индустрия, вообще-то, гораздо больше боится камней, созданных по технологии CVD, чем камней от Gemesis, хоть последняя и представляет непосредственную угрозу. По идее, метод CVD даст чрезвычайно чистый кристалл. Алмазы от Gemesis растут в металлическом расплаве, и небольшие частички металлов попадают в решетку алмаза при его росте. Алмазы CVD, напротив, осаждаются, образуя почти стопроцентно чистый кристалл, и поэтому неотличимы от натуральных. Но наибольший потенциал технологии CVD лежит в использовании их в компьютерах. Если алмаз станет применим в полупроводниках, потребуется метод недорогого выращивания камней в больших пластинах. (Кремниевые пластины, которые использует Intel, например, имеют диаметр около 30 см). А размер CVD ограничен только размером зерна, которое заложат в машину. Процесс начинается с квадратной пластины. Камень растет в форме призмы, где верхняя часть слегка шире основания. За годы, прошедшие с момента обнаружения «той самой точки», компания Apollo училась выращивать алмазы все большего размера, отрезая верхушку от одного и используя ее как базу для другого алмаза. На сегодня компания способна вырабатывать 10-мм пластины, но за 5 лет планирует достичь 10 см. Карат стоит около $5.

Но вернемся в Высший алмазный совет. Я вытряхиваю камни от Apollo на стол. Ван Ройен неуверенно поднимает один из них длинным пинцетом и кладет под микроскоп. «Невероятно! Можно рассмотреть?» — спрашивает он. Я соглашаюсь оставить ему камни на ночь. Утром Ван Ройен выглядит уставшим. Он признает, что почти всю ночь изучал камни. «Думаю, что отличить их все же смогу: они слишком идеальны для натуральных алмазов. В природе все имеет изъяны. А у этого камня их практически нет», — резюмирует ученый. И добавляет на прощание: «В ваших руках нечто, чего нет больше ни у кого в Антверпене. Если хотите понять, насколько на самом деле важны эти камни, поговорите с Джимом Батлером из ВМФ США».

Алмазный Pentium

Джим Батлер возглавляет группу при ВМФ, которая занимается исследованием алмазов. Батлер изучал процесс CVD на протяжении 16 лет и повидал немало разочарований за этот срок. Но сегодня он — оптимист. Существовали три проблемы на пути к алмазному процессору. И похоже, все три готовы пасть. Во‑первых, алмазы считаются бешено дорогими из-за политики De Beers, которая не отпускает цены на рынке. Синтетические алмазы решат эту проблему. Во‑вторых, не было надежного источника больших и чистых камней. На ископаемые алмазы рассчитывать нельзя, так как невозможно обеспечить одинаковые электрические характеристики камней. Алмазы от Apollo решают и эту задачу. В-третьих, была проблема, над которой ломали головы материаловеды всего мира. Чтобы сделать микросхему, нужны полупроводники p- и n-типа. Алмаз — естественный изолятор, он не проводит электрический ток. Gemesis и Apollo смогли ввести в кристаллическую решетку алмаза бор, который создает нужный тип проводимости p-типа. Но до сих пор никто не смог создать в алмазе проводимость n-типа. При встрече со мной в Вашингтоне Батлер едва мог сдержать ликование. Он сообщил мне, что совершен прорыв — в июне 2003 года, совместно с учеными из Израиля и Франции, Батлер объявил о том, что найден способ инвертировать природную проводимость бора и создавать легированные бором алмазы n-типа. «Таким образом, мы получили p-n-пару. Другими словами, работающий полупроводник. На горизонте уже алмазный Pentium!» — радуется Батлер.

Однако ученого огорчают настроения в компьютерной индустрии США. Если не поторопиться, считает он, японцы и европейцы вырвутся вперед. И действительно, в разговорах с главными шишками компании Intel выяснилось, что они даже не знали о последних достижениях в области алмазных полупроводников. Кришнамурти Сумианат, один из боссов компании Intel, говорит, что освоение нового материала занимает около 10 лет, а в кремний вложено столько, что отказываться от него компания пока не намерена.

Но в один прекрасный день выхода у изготовителей микросхем не останется. Бернард Вунеш, профессор материаловедения в Массачусетсском технологическом институте, прямо говорит: «Если закон Мура не падет, микросхемы будут становиться все горячее и горячее. И кремний в какой-то момент просто потечет. Алмаз — вот решение проблемы».

Другой способ (CVD), который стали применять, чтобы произвести искусственные бриллианты, отличается тем, что весь процесс происходит при более низком уровне давления и за более короткий срок. Исходный материал погружают в специальную камеру, где создаются условия вакуума. Затем начинается воздействие микроволновыми лучами и газами. Углеродная плазма разогревается до 3000 градусов. Происходит формирование синтетических алмазов путем осаждения молекул углерода на пластинку-заготовку.

В качестве сырья используют вещества, которые богаты углеродом. Это может быть графит, сахарный уголь, сажа. Искусственно выращенные камни обладают той же структурой, что и природные. И это объясняет их твердость и высокую прочность.

Области применения

По своему внешнему виду искусственный бриллиант ничем не отличается от настоящего природного минерала. Однако стоимость его значительно меньше. Такие камушки, полученные в условиях лаборатории, лучше поддаются огранке. Ювелиры могут огранить даже очень маленький синтетический кристалл. Такие мелкие образцы очень востребованы, ведь натуральные мелкие кристаллы очень трудно извлекать из породы.

Высокие показатели твердости и прочности, которыми отличаются искусственно выращенные алмазы, делают их незаменимыми для использования при создании различных устройств для резки или шлифовки. Алмазное напыление и крошка сегодня присутствуют на пилах, сверлах, бурах и множестве других инструментов. Сейчас такой материал активно используется и при производстве микросхем.

Производство синтетических алмазов газовым способом (CVD) очень важно, так как полученный материал используется для создания высокотехнологичного медицинского оборудования. Использование таких составляющих позволяет продлить срок службы приборов, так как алмазные детали способные выдерживать сильный нагрев, сохраняя эффективность и работоспособность.

Разнообразие видов

Высокий спрос на красивые ювелирные изделия с искрящимися, переливающимися камнями естественно привел к тому, что стали появляться различные имитации алмаза. Иногда вместо этого драгоценного камня в украшениях использовали прозрачную разновидность кварца – горный хрустать, белый сапфир. Но с развитием технологий появились искусственные бриллианты, которые мало чем отличались от настоящего камня. .jpg" alt="искусственный бриллиант" width="200" height="213">

Заменитель бриллианта, полученный в условиях лаборатории, помимо атомов углерода содержит в своей кристаллической решетке азот, включения которого появляются там на стадии роста. Из-за того, что азот подавляет голубой спектр, искусственный камень приобретает оттенок желтого цвета. Сейчас существуют следующие разновидности:

  • Еще в семидесятых года ХХ века в ювелирной промышленности появился фианит. Эта имитация алмаза представляла собой кубически стабилизированный циркон. По своим оптическим свойствам он очень схож с натуральным образцом, однако значительно уступает ему по прочности.
  • Другим вариантом имитации алмаза является нексус (Nexus). При его получении углерод соединяется с различными примесями. Образец отличается высокими показателями прочности и твердости.
  • Полученный из карбида кремния муассанит является самым дорогим. Он обладает необыкновенным блеском и отменной прочностью.

На изделия, в которых используется имитация бриллианта, всегда сохраняется высокий спрос. Однако, даже выбирая украшение, в котором используется искусственно выращенный камень, нужно быть осторожными. Недобросовестные продавцы могут реализовывать обычное стекло, которое было огранено.

Как отличить имитацию

Покупая любое украшение в ювелирном магазине, вы можете попросить у продавца документы, которые подтверждают подлинность того или иного изделия. И если в изделии используется искусственно выращенный кристалл, то об этом вы должны получить полную информацию.

Если вы сомневаетесь, что перед вами природный бриллиант, то можно попробовать проверить это и в домашних условиях:

  1. Первое, на что стоит обратить внимание, – это количество граней. Фианит получает при огранке меньше граней, которые к тому же более округлы.
  2. Можно капнуть на испытуемый образец каплю масла. На натуральном камушке она останется без изменений. А на имитации – распадется на мелкие частички, а потом соберется в маленькие капельки.
  3. Если опустить кристаллик в масло, а потом прикрепить к стеклянной поверхности, то настоящий к ней прилипнет, а с такой фокус не пройдет.
  4. Попробуйте положить кристалл на газету. Через фианит вы будете видеть буквы, а через бриллиант – нет.
  5. Натуральный камень, сжатый в руке, будет оставаться прохладным, когда как имитация быстро приобретет температуру тела.
  6. Рассмотрите кристалл. Природные алмазы исключительно редко бывают однородными, в них всегда присутствуют вкрапления, мелкие дефекты. Тогда как фианиты всегда абсолютно прозрачны.

Интересно, что фианиты, не обладая уникальным бриллиантовым сиянием, намного лучше отбрасывают блики. Но если вы сомневаетесь в происхождении камня, лучше всего обратитесь к профессионалам. Используя современное оборудование, геммологи сообщат вам результат, точность которого будет равна 100%.

Сегодня человечество научилось создавать несколько разновидностей искусственных бриллиантов, наилучшим из них по праву считается муассанит. Ценность алмаза и получаемого после его огранки бриллианта с давних пор подталкивала людей на поиск и изготовление достойного ему аналога. Так как природа одарила алмаз множеством характеристик, на протяжении нескольких сотен лет эта задача была непосильна, а все попытки замены выглядели лишь жалкими подделками.

Как и из чего получают искусственные бриллианты

Главная проблема при создании алмазов - длительность и сложность процесса. В природных условиях камень образуется тысячи лет под колоссальным давлением от 45000 до 60000 атмосфер и при температуре свыше 900 градусов, поэтому повторить весь процесс в точности с природным практически невозможно.

Первое документальное описание попытки синтезировать бриллианты датируется 1823 годом, когда наш соотечественник Василий Каразин в результате опытов с нагреванием и перегонкой сухой древесины получил неизвестные кристаллы.

Однако официально считается, что впервые камень, с наиболее похожими на бриллианты свойствами, открыл французский исследователь и нобелевский лауреат Анри Муассан. В 1905 году полученный им кристалл карбида кремния, в честь создателя, начал именоваться муассанит. Карбид кремния встречается в природе и за свое космическое происхождение часто именуется звездной пылью, но его естественный размер очень мал и имеет специфическую окраску.

Не оставляя желание создать идеальные бриллианты в лабораторных условиях ученые научились синтезировать более крупные и чистые камни. Искусственно выращенный муассанит нередко называется карбокорунд.

Большой вклад в создание искусственных бриллиантов внесли российские и советские ученые. Основную массу синтетических камней производят по разработанным ими технологиям. Сегодня муассанит получают нескольким способами, однако наиболее чистые и качественные кристаллы карбокорунда рождаются путем многочасового нагревания при температуре 2 400 ºС кристаллического карбида кремния с участием металлического катализатора (железа).

В промышленных масштабах искусственные алмазы, имеющие крупнозернистую структуру, начали производить с середины прошлого века.

Кроме описанного выше термобарического метода, при их создании используется способ осаждения кристаллов из плазмы газообразного углерода под воздействием электрической дуги и редкая детонационная технология, использующая энергию взрывной волны.

Для выращивания бриллиантов в лабораторных условиях используют вещества с высокой концентрацией углерода: очищенную сажу или уголь, графит и т.д. В зависимости от того каким образом был получены такие бриллианты, существует деление на НРНТ-и CVD-алмазы.

Сфера применения и ценность

В большинстве случаев бриллианты, полученные синтетическим путем, автоматически воспринимаются, как подделки и вызывают негативную реакцию. Такое отношение абсолютно неоправданно, так как искусственное выращивание в лабораторных условиях кристаллов имеющих физические характеристики алмазов несет неоценимый вклад в промышленность, развитие высоких технологий и ювелирное дело.

50% используемых в мире бриллиантов имеют синтетическое происхождение и созданы человеком. При этом искусственные алмазы полностью удовлетворяют нужды промышленности, где их доля составляет более 90 % от общего объема используемых камней. Применение алмазов человеком обусловлено их уникальными свойствами:

  • исключительная твердость кристаллов применяется для шлифовки, резки различных материалов и бурения породы;
  • благодаря долговечности алмазы незаменимы при производстве высокотехнологичного оборудования, компьютерных чипов и микросхем;
  • необработанные бриллианты активно используются в работе лазеров и медицинском оборудовании;
  • муассанит наивысшего качества и чистоты активно применяется в ювелирном деле.

Цена на искусственно выращенные алмазы варьируется в зависимости от вида и качества камня.

Один из самых дешевых вариантов - фианит, средняя цена за карат у которого начинается с нескольких долларов.

Для сравнения, чек на искусственное творение такого же размера может быть в десятки раз больше. Так, бесцветный муассанит будет не намного дешевле природного бриллианта, а в ряде случаев может быть дороже чем прототип.

Одним из главных критериев для определения цены, так же как и у натуральных алмазов, служит цвет. Чем труднее получить тот или иной оттенок, тем дороже будет конечная стоимость. Из-за применения железосодержащих катализаторов муассанит приобретает желтоватый оттенок. Добиться идеальной прозрачности довольно сложно, поэтому камни чистой воды стоят дороже, чем бриллианты цвета шампанского.

Отличие от природного камня

Муассанит считается самым совершенным аналогом бриллианта, который по своим характеристикам не только повторяет, но и превосходит природный прототип и имеет лишь небольшие отклонения, позволяющие отличить его от натурального алмаза. Одно из главных отличий, по которому можно узнать муассанит, кроется в его внешних характеристиках.

Всем известно, что ценность бриллианта кроется не только в его редкости и твердости, но и в высоком коэффициенте преломления света равном 2,418. Показатель преломления которым обладает муассанит выше на 25 %. Поэтому лабораторный камень с правильной огранкой сверкает в лучах света гораздо ярче. Ограненный алмаз из земных недр также проигрывает выращенному человеком бриллианту в дисперсии, и искрит в десятки раз меньше.

Долгое время не удавалось получить муассанит идеально прозрачного цвета и хотя в сравнении с бриллиантом он не имеет посторонних вкраплений, цвет его всегда отличался желтизной. Несколько лет назад эта проблема была решена и теперь в соревновании чистоты естественные алмазы также проигрывают.

Строение карбокорунда очень близко к бриллиантам, поэтому далеко не каждый прибор может выявить различия между этими близнецами.

Даже опытные ювелиры и специалисты с большим стажем, для того чтобы уверенно говорить о бриллианте как о природном, проверяют камни сразу по нескольким показателям, среди которых: твердость, удельная масса, определение коэффициента отражения, анализ электропроводности и разнообразные оптические тесты.

Чаще всего разницу можно заметить визуальным сравнением двух камней с одинаковой каратностью. Обычно муассанит выгодно отличается и выглядит более искристым и блестящим. Но и этот факт не всегда позволяет определить со 100% точностью, где природные бриллианты, а где нет.

Использование высокотехнологичных бриллиантов в ювелирном деле

Несмотря на то, что муассанит появился совсем недавно, он уже имеет популярность не только как аналог бриллиантов, но и как вполне самостоятельный камень с отличными ювелирными характеристиками, которые встречаются только в алмазах наивысшей пробы. Развитие технологий ведет к тому, что вскоре человек научится контролировать появление цветных алмазов высокотехнологичным путем, что повлечет рождение новой эпохи в ювелирном искусстве. А возможность замены природного камня искусственными бриллиантами рано или поздно снизит рыночную стоимость украшений и сделает их более доступными.

Уже сейчас по своим эстетическим характеристикам лабораторный алмаз не имеет себе равных и не выглядит как имитация.

Ограненный муассанит заслуживает оправы из самых дорогих драгоценным металлов, так как искрится и переливается не хуже бриллиантов. Особенного оптического эффекта сияния и глубины удается добиться в оправе из белого золота, платины и серебра. Искусно ограненный муассанит выглядит благородно в кольцах, колье, браслетах, серьгах и во многих других украшениях. Его роскошный блеск, по сравнению с «более вечерними» бриллиантами, раскрывается в любое время суток.

Прекрасным ювелирным изделиям с такими искусственными бриллиантами, как муассанит покорились практически все города мира, в том числе и Москва. Разнообразие украшений настолько велико, что удовлетворяет вкусам самых взыскательных покупателей.

Искусственные бриллианты – прекрасная альтернатива для тех, кто не может позволить себе натуральные камни, при этом за гораздо меньшую цену вы получаете великолепное украшение, изготовленное из экологически чистого материала. На сегодняшний день различают два основных вида искусственных бриллиантов - синтетические камни и так называемые, заменители алмазов.

Процесс создания синтетического алмаза был разработан в 1892 году французским химиком Анри Муассаном (Henri Moissan). Крошечные частички синтетического алмаза образовывались при нагревании угля или углеродного материала в чугунном тигле до экстремально высоких температур (4000¼ C). На сегодняшний день в изготовлении искусственных бриллиантов используют два основных метода: воздействие на материал высоким давлением при нагреве до высоких температур (HTHP) и метод химического осаждения из газовой фазы (CVD).

Температура плюс давление

Данная технология известна также под названиями HTHP и «GEPOL». В данном случае используется специальная установка в виде тетраэдрического пресса или шестиступенчатого кубического пресса высокого давления. Алмазное «семечко» помещают в рабочую камеру, которая находится внутри пресса, и подвергают воздействию высокой температуры и высокого давления, при этом создаются условия, максимально приближенные к естественным характеристикам процесса образования алмазов в природе. В отличие от натуральных алмазов, температурно-прессовой метод позволяет «вырастить» искусственный алмаз за семь-десять дней. Нередко дополнительная обработка синтетических алмазов температурой и давлением применяется для улучшения характеристик камня и достижения максимальной схожести с натуральным аналогом.


Метод химического осаждения из газовой фазы (CVD)

Разработанный в 80-х годах прошлого века метод предполагает условия выращивания кристалла при более низком давлении. В рабочую камеру помещается частица исходного материала, которая затем подвергается комбинированному воздействию температуры и давления, в то время как соединение выпаренной углеродной плазмы и водорода наслаивается на субстрат. Углеродные газы заряжаются микроволновой энергией и притягиваются к исходному материалу. При использовании метода химического газофазного осаждения формирование синтетического алмаза занимает несколько дней.


Выращенные в лабораторных условиях алмазы не уступают натуральным в твёрдости, кливаже (спайности), коэффициенте преломления, световой дисперсии, удельном весе и сиянии. Также как и натуральные алмазы, синтетические варианты могут содержать небольшие включения.

Цветовая гамма и оптические характеристики искусственных бриллиантов

В отличие от натуральных бриллиантов, которые в большинстве своем не имеют цвета, синтетические бриллианты обладают легким желтоватым оттенком и виной тому включения азота, которые рассеиваются в структуре кристаллической решетки во время фазы роста кристалла. Включения азота поглощают голубой спектр светового луча, в результате чего кристалл приобретает желтоватый оттенок.

Заменители бриллиантов

Заменители бриллиантов широко используются в ювелирной промышленности с 1970-х годов, вначале бриллианты заменяли кубически стабилизированным цирконом (фианитом), позже появились такие заменители как муассанит и Nexus. Более сотни лет назад для имитации бриллиантов использовали хрусталь, циркон и белый сапфир, особенно популярны эти камни были в изготовлении перстней в викторианском стиле.

Заменитель бриллиантов Nexus представляет собой соединение углерода с другими веществами. Такие заменители отличаются прочностью и твердостью и сопровождаются утроенной пожизненной гарантией прочности. Материалом для изготовления фианитов служит диоксид циркония. Среди всех заменителей бриллиантов фианит считается наименее прочным и, соответственно, одним из самых дешевых.

Муассанит, который синтезируют из карбида кремния, славится своим блеском и сиянием. Высокая прочность этого заменителя бриллианта, безусловно, отразилась и на его цене, из всех заменителей, муассанит самый дорогой, к тому же этот кристалл обладает определенными внешними особенностями, которые позволяют отличить его от натурального бриллианта.

При сравнении искусственных и натуральных бриллиантов разница, которая видна невооруженным глазом, – это стоимость кристаллов, однако стоит отметить, что белые (бесцветные) синтетические бриллианты нередко не уступают в цене натуральным бесцветным алмазам. Еще одно отличие: в натуральных бриллиантах присутствуют включения и неоднородность, в то время как синтетические варианты практически безупречны.

Сравнительная характеристика

Если вы решили приобрести украшение с искусственным бриллиантом, вам определенно удастся сэкономить кругленькую сумму, но если вы хотите максимально снизить затраты, тогда обратите внимание на изделие с заменителями бриллиантов, они стоят намного дешевле, чем вещицы с искусственными алмазами.

Заменители уступают натуральному бриллианту в прочности и твердости, но в плане сияния и блеска могут составить достойную конкуренцию натуральным кристаллам. К тому же заменители совершенно чисты и лишены каких бы то ни было включений. Муассанит обладает наиболее ярким блеском и интенсивностью бликования, что в некотором роде создает нежелательный для некоторых покупателей эффект «дискотечного шара», фианиты не обладают таким сиянием, как бриллианты, но лучше отбрасывают блики.