Все про искусственные бриллианты. Что такое искусственные алмазы и в чем их отличие от настоящих

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.

В этой статье:

Начали делать не так давно. Этот процесс не является таким уж лёгким, а требует серьезных затрат. Применение такого искусственного кристалла не ограничивается только ювелирным делом, алмазы очень нужны в технике. Например, из них изготавливают специальный режущий инструмент. Для того чтобы понять, что собой представляют искусственные алмазы, нужно для начала разобраться, что такое настоящий алмаз.

Алмаз - самый твердый минерал в мире

Прежде всего, то, что мы видим в ювелирном магазине - это бриллиант. Бриллиант - это алмаз, который прошел специальную предварительную обработку ювелирами. C точки зрения химии, он представляет собой углерод кубической формы и строения кристаллов. Что интересно, углерод в зависимости от того, как построена структура, может выступать в виде многих веществ, которые имеют разные свойства и применение.

Искусственные алмазы

Например, всем известно, что сейчас в мире переходят на нанотехнологии. Нанотехнологиями называют такие технологии, суть которых построена на объектах очень малой величины - тысячных долях микрона. Одними из таких объектов являются нанотрубки. Так вот, наименьшие нанотрубки, а именно, самого маленького диаметра, также являются формой углерода. Дело в том, что один атом вещества может объединяться с пятью другими, что и так представляет собой компактную структуру. Среди атомов, которые обладают такими возможностями, имеет самую маленькую массу, а соответственно и радиус атома.

Если атомы углерода объединяются во что-то похожее на мяч для футбола - это называться фуллеренами. Фуллерены и нанотрубки, а также монослой углерода - графен, за получение которого недавно вручили Нобелевскую премию, в будущем, скорее всего, будут очень широко использоваться в технике. Они интересны своими сверхпрочными свойствами, а также проводимостью, низким сопротивлением и размерами. Наибольшая ценность нанотрубок - выступать как проводниками, так и полупроводниками, в зависимости от того, как ориентированы атомы между собой. За этим будущее электроники.

До сих пор ученые не пришли к однозначному выводу о том, . Основная версия говорит о том, что кристаллы формируются глубоко в Земле (более чем в 200 километрах) под большим давлением и огромной температурой. А потом уже магма их выбрасывает на поверхность. Существует также версия, что алмаз представляет собой внеземную структуру и прилетает на Землю вместе с метеоритами. Еще одна версия тоже говорит о космическом происхождении: якобы бриллианты формируются при падении метеорита, когда создается высокое давление.

Камни очень редкие и красивые. Ценятся они не только за красоту, но и за то, что обладают уникальными свойствами:

алмаз имеет самую высокую твердость среди минералов;
температура его плавления доходит до 4000 градусов;
теплопроводность самая высокая среди всех известных твердых тел;
он относится к диэлектрикам;
имеет уникальное преломление света, под действием различных лучей может начать светиться;
не растворяется в кислоте.

История получения минералов

В 1797 году было открыто, что алмаз состоит из чистого углерода. С тех пор начались попытки повторить процесс в условиях лаборатории. Наиболее успешными стали работы Ханней и Муассана, в 1893 году они нагревали их до температуры 3000 градусов Цельсия с высокой скоростью нагрева и добавлением железа. В отличие от Ханнея, который использовал трубку для нагрева, Муассан использовал электродуговую печь со стержнями углерода, располагавшимися внутри блоков извести.

Расплавленное железо после нагрева быстро охлаждали водой. Все это делали для того, чтобы обеспечить высокое давление. Подобные эксперименты повторялись и в дальнейшем. Например, в 1909 году успеха достиг Крукс и через несколько лет об этом заявил. Однако позже такое заявление было опровергнуто.

Первый официальный искусственный алмаз был создан в 1926 году. Для его создания были объединены все методы, которые перечислены выше. Сейчас этот образец до сих пор хранится в музее в Соединенных Штатах Америки.

Но это еще был не тот образец, который можно было бы поставить на серийное производство. Наибольший вклад в создание и разработку методов получения бриллиантов вложил Сэр Чарльз Алджернон Парсонс - именно он на протяжении 40 лет пытался повторить самые первые опыты Ханнея и Муассана. Он был очень кропотливым и сохранил полученные образцы для дальнейших исследований. Позже заявил, что всё, что было создано до этого, не является искусственным бриллиантом.

В 1941 году к разработке методики получения алмазов присоединяется компания General electrics. У них получилось нагреть углерод до 3000 градусов и получить давление 5 ГПа. Однако им помешала Вторая мировая война, и только через 10 лет они возобновили работы по проекту. Во время этих разработок использовались наковальни из карбида вольфрама в гидравлическом прессе. Однако все условия синтеза были настолько неопределёнными, что эксперименты повторять не удавалось.

В 1954 году был создан первый искусственный алмаз, который годился для коммерческого синтеза. Однако он был очень маленького диаметра, всего доли миллиметра, поэтому не мог быть использован в украшениях, зато хорошо подходил для промышленности. Описание работы по его созданию было опубликовано в самом престижном научном журнале Nature.

С 1953 года компания ASEA - производитель электроники из Швеции - тоже начала заниматься независимым синтезом алмазов. Работа шла, используя громоздкий аппарат, который поддерживал давление на уровне 8,4 ГПа на протяжении часа. Но им тоже удалось получить экземпляры только маленького размера.

В Корее в восьмидесятых годах появился конкурент по созданию алмазов - компания «Ильин Алмаз». Она заполучила коммерческую тайну от General Electric и смогла синтезировать синтетические алмазы в 1988 году. После этого вышел и Китай на рынок с огромным количеством предприятий.

Как сегодня выращивают алмазы?

В промышленном производстве сейчас более широко используется технология выращивания кристаллов при высоких давлениях и температурах, называемая HPHT, а также технологии CVD. Менее употребляемыми методиками считаются синтез монокристаллов алмаза при взрыве и метод получения микронных алмазов из суспензии частиц графита в органических растворителях под действием ультразвука.

Технология HPHT включает в себя получение алмазов при температуре 1500 градусов и давлении 50 атмосфер. Установка, которая представляет собой гидравлический пресс, сжимает специальный контейнер, внутри которого находится металлический расплав и графит. В качестве расплава используется железо, никель кобальт или другие металлы. На подложке размещаются затравки - небольшие кристаллы алмаза. Сквозь камеру проходит ток, который нагревает расплав до нужной температуры. В таком случае металл служит растворителем или катализатором кристаллизации.

Кристаллы выращиваются на заправке в форме алмаза. Процесс выращивания более-менее крупного или нескольких мелких кристаллов длиться в среднем около 12 суток. Сейчас производство искусственных алмазов доходит до выпуска миллиардов каратов в год. В 1970, используя эту технологию, впервые научились добывать камни маленького веса и качества.

С 1960-х годов начали разработку более дешевой технологии получения алмазов CVD, что означает Chemical Vapor deposition, которая представляет себя осаждение из фазы газа.

Синтез проходит при осаждении углерода на подложку в среде из водородного газа, который ионизируется с помощью излучения и высоких температур. При осаждении поликристаллический алмаз (кремний) получает пластины, имеющие ограниченное применение в электронике и оптике.

Скорости роста абсолютно разные, которые могут достигать и 100 микрометров в час. Толщина пластин обычно ограничена 2-3 миллиметрами, поэтому полученные алмазы можно использовать в качестве ювелирных, но не превышающих 1 карата. Возможности этого момента начали популяризоваться в 2000-х и привлекли внимание как стартапов, так и больших корпораций, что дало сильный толчок к развитию метода.

Потенциал HPHT в последнее время был сильно недооценен, и все внимание и ресурсы были сосредоточены на совершенствовании метода химического осаждения. Эта технология, как казалось, была неприменима для выращивания кристаллов большого размера и высокого качества. Но в последнее время технологии совершенствуются и получаются искусственные алмазы такого качества и размера, какими раньше могли быть только натуральные.

Которые чаще всего имеют прозрачные цвета, заключается еще в том, что синтетические обладают легким оттенком. Азот, который рассеивается в структуре решетки во время роста алмаза, поглощает голубой цвет, в результате чего синтетический алмаз приобретает желтоватый оттенок.

Другие заменители бриллиантов

Помимо искусственных бриллиантов, широко используются их заменители, которые вошли в ювелирную промышленность в семидесятых годах прошлого века. Сначала Физический институт Академии Наук получил фианиты, которые представляли собой . Это, так сказать, стекляшка среди алмазов. Позже появились такие , как хрусталь, циркон, белый сапфир. Особенной популярностью пользовались такие камни в изготовлении перстней в викторианском стиле.

Также появился такой заменитель бриллиантов, как нексус, который представляет собой соединения углерода с другими веществами и отличается прочностью и твердостью.

Для изготовления фианитов используется диоксид циркония. Он считается наименее прочными из всех заменителей бриллиантов, а соответственно, и самым дешевым. Муассанит, который синтезируется из карбида кремния и является самым прочным из всех камней, похожих на бриллианты, и обладает такими внешними характеристиками, что его даже сложно отличить от настоящего камня. Отличие всех искусственных камней от натуральных, которое можно заметить невооруженным глазом - это стоимость, для остальных отличий необходимо оборудование и опыт.

Однако иногда синтетические бриллианты по цене не уступают натуральным, потому что огромные затраты расходуются на их производство. Основное отличие искусственного бриллианта от натурального в том, что в натуральных бриллиантах присутствуют неоднородности и включения, которые отсутствуют у искусственно полученных минералов.

Приобрести украшения из синтетического бриллианта можно, и это будет значительная экономия по сравнению с натуральным. Если вы хотите купить украшение максимально недорого, то отдавайте предпочтение фианитам. Их сияние не уступает натуральному бриллианту, но у него немного хуже характеристики прочности и твердости, что влияет на эксплуатационные свойства. Муассанит обладает наиболее ярким блеском, что в некотором роде создает эффект дискотеки. Фианит не обладает таким сиянием, как алмаз искусственный или муассанит, но лучше отбрасывает блики.

Муассаниты практически не поддаются внешнему воздействию, а вот фианиты со временем царапаются и впитывают масло. Кроме того, если за ними не ухаживать, на поверхности камня скапливаются царапины, он становится мутным.

Таким образом, технология получения бриллиантов до сих пор находится в стадии разработки. В отличие от рубинов и сапфиров, получить бриллиант любого размера или качества невозможно, и часто он может быть дороже оригинального, так как затрачивается огромное количество времени и ресурсов.

Бриллианты любят все женщины на планете, но позволить такую роскошь могут себе не все. Современные технологии позволяют создать искусственный бриллиант, который в несколько раз дешевле натуральных камней.

Бриллиант необходим не только для красоты.

Его используют в промышленной сфере, космонавтике, медицине и индустрии моды.

Как появились искусственные алмазы

Натуральный камень был известен человечеству ещё десятки веков назад. Любители невероятного блеска готовы были отдавать за бриллиант круглую сумму. Любители обмана придумывали всевозможные хитрости, чтобы получить деньги. За бриллиант выдавали горный хрусталь, фианит, муассанит. Создание искусственного камня не давало покоя человечеству, и в конце XIX столетия учёные начали изучать состав камня и его строение .

Благодаря уникальным характеристикам драгоценность имеет высокую цену на рынке ювелирных изделий. Твёрдость, высокая теплопроводность, сильная дисперсия, оптическая прозрачность и износостойкость - такие свойства ценят не только ювелиры, но и специалисты различных сфер науки, начиная с промышленности и заканчивая медициной.

Чтобы все сферы жизнедеятельности смогли применять алмазы в своей отрасли, люди начали придумывать, как выращивать бриллианты.

Искусственные бриллианты называются синтетическими, то есть созданными в лаборатории.

В 1950 году шведские учёные впервые синтезировали драгоценность , а через несколько лет на рынке можно было купить камень искусственного происхождения для создания украшений. В последнее время современный рынок украшений практически полностью представлен ювелирными украшениями с искусственными камнями.

Обычный человек вряд ли сможет отличить подделку от настоящей драгоценности, поэтому многие производители пользуются отсутствием знаний у народа.

Процесс выращивания

Как называется искусственно выращенный бриллиант - знает любой человек, который интересовался технологией его производства. В настоящее время существует несколько технологий синтетического изготовления искусственной драгоценности .

Самая прочная, но при этом дорогостоящая технология производства - из кристаллического углерода . Углерод помещается в специальный пресс, на котором насосы при помощи воды создают высокое давление, тем самым обрабатывая материал.

Далее такой специальный материал, как хладагент замораживает воду, тем самым увеличивая давление в 10 раз. На следующем этапе в камеру подаётся мощный заряд тока, и под воздействием воды и электричества происходит преображение камня. Разморозив камеру, можно получить готовый искусственный продукт.

Взрыв при помощи метана позволяет нарастить каменную массу - так называют специалисты искусственный бриллиант. Эта технология менее затратна, чем выращивание из углерода.

Применять метан можно двумя способами. При применении первого алмазы получатся мелкими, но с высоким процентом выхода готового изделия. Второй метод позволяет нарастить каменную массу, но температура обработки достигнет 1100 градусов.

Сфера применения

Практически 90% всех камней используется в сфере промышленности и науки.

Самые чистые камни применяются в нанотехнологиях, а также в машиностроении.

С их помощью можно создавать инструменты с повышенной прочностью.

Такими инструментами являются:

шлифовальные круги;
полирующие диски;
свёрла.

Широкое применение синтетический бриллиант нашёл в индустрии моды и красоты. Стразы применяют в одежде, а также в бижутерии и для украшения обуви.

Искусственный материал является отличной альтернативой натуральному бриллианту. Такой камень можно применить в различных сферах промышленности, моды и медицины, а также разрабатывать специальные нанотехнологии.

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.

26 мая 2015 года Международный геммологический институт (IGI) в Гонконге выдал сертификат на необычный рекордный бриллиант массой 10,02 карата, цвета E и чистоты VS1. Подобные драгоценные камни не такая уже и редкость в ювелирном мире, но уникальность данного случая состояла в том, что камень не был добыт из земных недр, а был огранен из 32-каратного кристалла синтетического алмаза, выращенного российской компанией New Diamond Technology (NDT). «Это далеко не первый наш рекорд, — говорит генеральный директор компании Николай Хихинашвили. — Предыдущий, 5-каратный, продержался всего два месяца».

Роман Колядин, директор по производству, показывает мне небольшой цех в одном из технопарков неподалеку от Сестрорецка. Цех безлюден, лишь полтора десятка гидравлических прессов стоят вдоль стен. Это и есть «месторождение» — внутри прессов, в условиях высоких температур и давлений, микрон за микроном растут абсолютно безупречные алмазы. На пультах управления контроллеров у каждого пресса отражаются текущие параметры, но Роман просит снимать картинку так, чтобы эти данные не попали в кадр: «Общие принципы синтеза алмазов хорошо известны и используются в промышленности уже более полувека. А вот детали режимов синтеза — одно из ноу-хау нашей компании». Я обращаю внимание на прецизионные кондиционеры, поддерживающие микроклимат в цеху с точностью до десятых долей градуса. Неужели в такой точности есть необходимость? «Помните, мы сразу же закрыли за собой дверь, чтобы избежать сквозняка? — объясняет Роман. — Небольшие отклонения в температурном режиме могут серьезно повлиять на качество алмаза, и не в лучшую сторону. А мы всегда стремимся получить идеальное качество».

Процесс выращивания монокристаллов алмаза при высокой температуре (около 1500 °C, с нужным градиентом) и высоком давлении (50−70 тыс. атм.). Гидравлический пресс обжимает специальный контейнер, внутри которого находится металлический расплав (железо, никель, кобальт и др.) и графит. На подложке размещается одна или несколько затравок — небольших кристаллов алмаза. Сквозь камеру протекает электрический ток, разогревающий расплав до нужной температуры. В этих условиях металл служит растворителем и катализатором процесса кристаллизации углерода на затравке в форме алмаза. Процесс выращивания одного крупного или нескольких более мелких кристаллов длится 12−13 суток.

Подсмотрели у природы

История синтетических алмазов начинается с конца XVIII века, когда ученые окончательно поняли, что этот камень по своему составу является углеродом. В конце XIX века были попытки превратить дешевые варианты углерода (уголь или графит) в твердый и блестящий алмаз. Заявления об удачном синтезе делали многие известные ученые, такие как французский химик Анри Муассан или британский физик Уильям Крукс. Позднее, правда, было установлено, что никто из них на самом деле успеха не добился, и первые синтетические алмазы были получены только в 1954 году в лабораториях компании General Electric.

Более дешевый процесс осаждения алмаза из ионизированной углеводородной газовой среды на подложке, разогретой до 600−700°С. Для выращивания монокристаллов с помощью CVD требуется алмазная монокристаллическая подложка, выращенная с помощью HPHT. При осаждении на кремний или поликристаллический алмаз получается поликристаллическая пластина, имеющая ограниченное применение в электронике и оптике. Скорость роста — от 0,1 до 100 мкм/ч. Толщина пластин обычно ограничена 2−3 мм, поэтому вырезанные из нее алмазы можно использовать в качестве ювелирных, но их размер, как правило, не превышает 1 карата.

Процесс, который использовали для синтеза в GE, был «подсмотрен» у природы. Считается, что земные алмазы образуются в мантии, на глубине в сотни километров под поверхностью Земли, при высокой температуре (около 1300°С) и высоком давлении (около 50 000 атм.), а затем выносятся на поверхность магматическими породами, такими как кимберлиты и лампроиты. Разработчики GE обжимали с помощью пресса ячейку, внутри которой находился графит и железо-никелево-кобальтовый расплав, выступавший в качестве растворителя и катализатора. Этот процесс был назван HPHT (High Pressure High Temperature — высокое давление, высокая температура). Именно этот способ позднее стал коммерческим для получения недорогих технических алмазов и алмазных порошков (сейчас их производят миллиардами карат в год), а в 1970-х с его помощью научились изготавливать и ювелирные камни массой до 1 карата, хотя и весьма среднего качества.

Две основные технологии промышленного получения синтетических алмазов — это HPHT и CVD. Существует еще ряд экзотических методик, таких как синтез нанокристаллов алмаза из графита при взрыве или экспериментальный метод получения микронных алмазов из суспензии частиц графита в органических растворителях под воздействием ультразвуковой кавитации.

Обходной путь

С 1960-х годов в мире идет разработка еще одного метода синтеза алмазов — CVD (Chemical Vapor Deposition, осаждение из газовой фазы). В нем алмазы осаждаются на подогреваемую подложку из углеводородного газа, который ионизируется с помощью СВЧ-излучения или разогревается до высокой температуры. Именно на этот метод синтеза в начале 2000-х стали возлагать большие надежды и небольшие стартапы, и крупные компании типа Element Six, входящей в группу De Beers.

До последнего времени метод HPHT оставался сильно недооцененным. «Когда мы несколько лет назад покупали оборудование, нам все в одни голос говорили, что промышленные прессы пригодны разве что для синтеза алмазных порошков», — говорит Николай Хихинашвили. Все ресурсы выделялись на разработку CVD, а технология HPHT считалась нишевой, никто из специалистов не верил, что с ее помощью можно выращивать достаточно крупные кристаллы. Однако, по словам Николая, специалистам компании удалось разработать собственную технологию синтеза, которая буквально произвела в отрасли эффект разорвавшейся бомбы. Несколько лет назад в отчете одной из геммологических лабораторий так и было написано: «Вес данного бриллианта составляет 2,30 карата! Подобная величина бриллианта еще до недавнего времени была гарантом его природного происхождения».

Огранка алмазов для получения сверкающих бриллиантов — процесс долгий и не слишком впечатляющий для непосвященного человека. И выращенные, и натуральные алмазы обрабатываются совершенно одинаковым образом.

Лучшие друзья девушек

«Мы, конечно, не единственные, кто выращивает алмазы крупнее 5−6 карат, — объясняет Николай. — Но все остальные подчиняются принципу «два из трех»: крупные, качественные, коммерчески выгодные. Мы первые, кто научился получать крупные кристаллы алмаза высокого качества по приемлемой стоимости. На 32 прессах мы можем выращивать около 3000 карат в месяц, и это камни очень высокого качества — алмазы цвета D, E, F и чистоты от чистейших IF до SI, в основном типа II. 80% нашей продукции — это ювелирные алмазы массой от 0,5 до 1,5 карата, хотя мы можем вырастить под заказ алмаз любого размера». В качестве доказательства Николай протягивает мне кристалл размером с 10-рублевую монету: «Вот это, например, 28 карат. Если огранить его, получится бриллиант карат в 15».

В начале 2000-х мировой алмазный монополист, компания De Beers, была сильно обеспокоена грядущим выходом на ювелирный рынок синтетических алмазов, опасаясь, что это может подорвать бизнес. Но время показало, что бояться нечего — синтетические алмазы занимают очень малую долю ювелирного рынка. К тому же за это время были разработаны методы исследований, которые позволяют достаточно уверенно идентифицировать выращенные алмазы. Признаками синтеза являются включения металла, в цветных алмазах можно рассмотреть секторы роста, к тому же HPHT, CVD и натуральные природные алмазы в УФ-лучах имеют разный характер люминесценции.

В зависимости от содержания азота алмазы относят к одному из двух основных типов. Алмазы типа I содержат до 0,2% азота, атомы которого расположены в узлах кристаллической решетки группами (Ia) или по одиночке (Ib). Тип I преобладает среди природных алмазов (98%). Как правило, такие камни редко бывают бесцветными. Алмазы типа IIa практически не содержат азота (менее 0,001%), среди природных камней их всего 1,8%. Еще реже (0,2%) встречаются безазотные алмазы с примесью бора (IIb). Атомы бора в узлах кристаллической решетки обуславливают их электропроводность и придают алмазам голубоватый оттенок.

«Как относятся потребители к выращенным алмазам? Хорошо, — говорит Николай, — особенно современная молодежь. Для них важно, что эти алмазы бесконфликтны и созданы людьми с помощью высоких технологий без вмешательства в природу. Ну и цена примерно вдвое ниже. Конечно, в сертификате написано, что камни выращенные, но ведь носят-то кольцо с бриллиантом, а не сертификат! А по физическим и химическим свойствам наши алмазы идентичны природным».

Пока что большую часть прибыли дает изготовление алмазов для ювелирного рынка. Однако, скорее всего, в ближайшие годы возникнет огромный спрос на выращенные алмазы и алмазные пластины для специальной оптики, микроэлектроники и других высокотехнологичных промышленных применений.

От украшений к промышленности

Ювелирные алмазы — это прибыльная часть бизнеса NDT, но завтрашний день принадлежит другому направлению. Технический директор компании NDT Александр Колядин любит говорить: «Если из алмаза уже ничего больше нельзя изготовить, сделай бриллиант». На самом деле наиболее перспективный рынок для крупных высококачественных синтетических алмазов — это промышленность. «Ни один природный алмаз не годится для использования в специальной оптике или электронике, — говорит Александр Колядин. — В них слишком много дефектов. А пластины, вырезанные из наших алмазов, имеют почти идеальную кристаллическую решетку. Некоторые исследовательские организации, которым мы предоставляем наши образцы для изучения, с трудом могут поверить в измеренные параметры — настолько они идеальны. И не просто отдельные образцы — мы можем уверенно обеспечить повторяемость характеристик, что для промышленности жизненно важно. Алмазы — это теплоотводы, это окна для специальной оптики и для синхротронов, и, конечно, силовая микроэлектроника, над созданием которой сейчас работают во всем мире».

«Промышленное направление пока составляет 20% нашего производства, но года через три мы планируем довести его до 50%, тем более что спрос быстро растет. Сейчас мы в основном делаем пластины 4 х 4 и 5 х 5 мм, вырезали по заказу несколько 7 х 7 и 8 х 8 мм и даже 10 х 10 мм, но это пока не массовое производство. Наша следующая цель, — говорит Николай Хихинашвили, — это перейти к изготовлению дюймовых алмазных пластин. Это тот минимум, который очень востребован в массовой электронной и оптической промышленности. Для получения таких пластин нужно вырастить кристалл алмаза массой в сто карат. Это наш план на ближайшее будущее». «На десятилетие?» — уточняю я. Николай с огромным удивлением смотрит на меня: «Десятилетие? Мы собираемся сделать это до конца года».