Соперники или союзники?

Соперники или союзники?

Попытки изготовления искусственных алмазов предпринимались давно. Первые опыты в этом направлении проводились алхимиками средневековья. В дальнейшем высокая цена камня побуждала всякого рода авантюристов к фальсификации алмазов и бриллиантов. В XVIII в. особой известностью пользовался некий Сен-Жермен, упоминающийся в произведении А. С. Пушкина "Пиковая дама", который якобы умел сплавлять мелкие алмазы и получать, таким образом, крупные камни. Абсолютная невозможность подобных операций была показана в предыдущей главе. Академик А. Е. Ферсман подчеркивает, что в старинных ювелирных изделиях часть камней, считавшихся бриллиантами, на проверку оказывалась топазом или горным хрусталем (бесцветной прозрачной разновидностью кварца) [9].

Начало научных экспериментов по синтезу алмазов относится к концу XIX в. В 1893 г. были опубликованы результаты опытов А. Муассона. В этих опытах расплав железа насыщался углеродом (графитом) при 2000-3000° С, а затем выливался в ледяную воду. Застывшая на поверхности слитка корка способствовала созданию высокого давления внутри него. После растворения слитка кислотами в остатке были обнаружены мельчайшие (менее 0,7 мм) кристаллики. Они сгорали в кислороде, образуя углекислый газ, на основании чего А. Муассон пришел к заключению, что это алмазы. Сообщение произвело сенсацию и принесло А. Муассону мировую известность. В том же 1893 г. русский ученый К. Д. Хрущев путем кристаллизации из расплава серебра получил зерна прозрачного и темного вещества, которые оставляли царапины на корунде (самом твердом после алмаза минерале) и при сгорании образовывали углекислый газ.

Позже подобные опыты в различных вариантах были проведены другими исследователями, которые получили аналогичные результаты. В связи с этим было признано, что задача получения искусственных алмазов решена. Однако уже в первые годы XX в. появились сомнения в правильности определения синтетических веществ, и было высказано предположение, что полученные кристаллы представляли собой не алмазы, а химические соединения углерода с металлами (так называемые карбиды). Из-за малых размеров кристалликов свойства их в те годы определить не удалось, поэтому отдельные ученые до сих пор считают, что категорически отрицать принадлежность полученных зерен к алмазам нельзя.

Позднее пробовали получить алмазы путем разложения углеродсодержащих соединений и конденсации паров углерода. Однако попытки синтезировать алмазы при разложении ацетилена в вольтовой дуге, четыреххлористого углерода над расплавом алюминия, ацетилена над амальгамами и т. п. не дали желаемого эффекта, хотя давление при некоторых экспериментах достигало 15 000 кгс/см². Не увенчались успехом и опыты по получению алмазов путем плавления угля под давлением от 3000 до 11500 кгс/см².

Причины неудач всех этих экспериментов по искусственному получению алмаза теперь совершенно очевидны: опыты проводились при таких температурах и давлениях, при которых устойчивой модификацией углерода является графит, а не алмаз.

Таким образом, алмаз может быть синтезирован только при давлении и температуре, которые соответствуют области устойчивости данной модификации углерода.

Аппаратуру, которая может обеспечить получение и поддержание в течение необходимого времени столь высокие давления и температуры, изготовить очень трудно, и стоит она недешево. Эксплуатация таких автоклавов также связана с большими материальными затратами. В связи с этим во многих странах мира проводились специальные исследования, направленные на изыскание способов снижения давления и температуры при изготовлении синтетических алмазов. Итогом явились рекомендации, заключающиеся в использовании специальных веществ - катализаторов, которые не входят в состав конечного продукта, но облегчают и ускоряют процесс кристаллизации алмаза.

Среди веществ, используемых в качестве катализаторов при синтезе алмаза, упоминаются хром, марганец, кобальт, никель, палладий, платина, радий и другие элементы, а также некоторые соединения, например окись никеля, сульфиды железа и др.

Американская компания "Дженерал Электрик" в середине 50-х годов получила искусственные алмазы в автоклавах, выдерживающих давление до 100000 кгс/см² и температуру до 2700° С. При давлении 53000 кгс/см² в температурном интервале 1300-2200° С и длительности процесса 16 ч получены кристаллики алмаза максимальным размером до 1,2 мм, прозрачные и мутные, бесцветные и окрашенные, в большинстве случаев имеющие форму деформированных октаэдров. Другая серия опытов проводилась в диапазоне давлений от 53000 до 100000 кгс/см² при температуре 2700° С. Экспозиция составляла несколько минут. Полученные кристаллы алмаза не превышали по величине 1 мм.

Общей закономерностью образования синтетических (и, вероятно, природных) алмазов является зависимость скорости роста, формы и цвета кристаллов от температуры, давления и наличия некоторых веществ в составе шихты - смеси, подвергаемой давлению и нагреву для получения алмазов. При оптимальном соотношении давления и температуры наблюдается бурный рост кристаллов, достигающий 1 мм в секунду. При максимальных температурах алмазы всегда образуются в виде кристаллов октаэдрической формы. По мере снижения температуры на октаэдрических кристаллах появляются сначала еле заметные, а затем все увеличивающиеся грани куба. И наконец, при минимальных температурах все алмазы кристаллизуются в виде кубов. Из шихт, содержащих в своем составе значительное количество марганца, алмазы кристаллизуются исключительно в виде октаэдров независимо от температурного режима.

В широком масштабе научно-исследовательские работы по совершенствованию процессов синтеза, повышению размеров и качества искусственных алмазов проводятся и в нашей стране. СССР занимает одно из первых мест в мире по выпуску синтетических алмазов. Наиболее известен в этой области Институт сверхтвердых материалов Академии паук УССР. Одно крыло главного здания института, все его девять этажей, занято своего рода пропагандистским центром. Здесь находится музей института, выставочные залы алмазного инструмента, а также комнаты для проведения семинарских занятий.

В зале первого этажа гостей встречает робот весьма живописного вида. Автомат двигается, мигает сигнальными лампами и говорит хрипловатым голосом: "Разрешите представиться: я - первый в мире робот, превращающий обычный графит в алмаз. В моей правой руке находится камера высокого давления, снаряженная реакционной смесью графита и растворителя. Я сжимаю камеру своими мощными челюстями, развивающими усилие в сто тысяч килограммов, и нагреваю смесь до температуры свыше 1200° С. Это приводит к растворению углерода и затем кристаллизации его в виде алмаза. Внимание! Приступаю к синтезу алмаза. Создаю давление в камере. Тяжелая работа. Сейчас мне в рот пальца не кладите. Еще одно усилие! Уф... Необходимое давление достигнуто. Включаю нагрев. Кристаллизация алмаза началась. Вы можете ее наблюдать по падению стрелки амперметра, вызванному резким повышением сопротивления реакционной смеси при переходе графита в алмаз. Отключаю нагрев. Снимаю давление. Процесс закончен. Получайте алмазы!

Дорогие гости! Я открыл вам свою заветную тайну, и теперь, пожалуй, каждый из вас может делать алмазы у себя дома на кухне".

Аппаратура и технология процесса изготовления синтетических алмазов постоянно совершенствуется, что способствует неуклонному повышению производительности труда и снижению себестоимости продукции. Так, например, если в 1961 г. опытному заводу Киевского института сверхтвердых материалов для изготовления 2000 карат алмазов потребовалось 9 месяцев, то в 1973 г. такое же количество алмазов изготовлялось на одной установке, обслуживаемой одним оператором, всего за один рабочий день! Немногие из алмазных рудников дают столько алмазов.

Может возникнуть вопрос: если уже сейчас имеются технические возможности производить синтетические алмазы в количестве, значительно превосходящем добычу природных алмазов, то почему не сокращается, а увеличивается добыча последних? И почему не снижается, а год от года растет цена на природные алмазы на мировом рынке?

Причина этого явления заключается в низкосортности искусственных алмазов. Основным недостатком их является очень малая величина кристаллов, которая при массовом производстве измеряется долями миллиметра. Масса 100 штук самых крупных из этих кристаллов едва достигает 1 карата. Алмазы нередко переполнены вростками и включениями посторонних веществ.

В итоге специальных исследований и экспериментов на уникальной аппаратуре в 1971 г. были выращены кристаллы алмаза до 1 карата. Такие камни вполне могли конкурировать с природными алмазами. Однако стоимость изготовления подобных кристаллов настолько превосходит рыночные цены на соизмеримые с ними по величине естественные алмазы, что, по мнению специалистов, выращивание монокристаллов алмаза массой 1-2 карата вряд ли окажется рентабельным в обозримом будущем.

В природе алмазы растут на протяжении весьма длительного времени в химически почти однородной среде с совершенно незначительными температурными градиентами. Благодаря сочетанию перечисленных факторов природные алмазы имели возможность вырастать до крупных размеров, сохраняя при этом высокую однородность во всем или почти во всем объеме кристалла. Создание аналогичной или хотя бы близкой обстановки в лабораторных и тем более в производственных условиях - задача едва ли разрешимая.

При недостаточной стабильности условий кристаллизации выращивание алмазов, равноценных лучшим ювелирным и некоторым специальным (полупроводниковым и др.) сортам, по-видимому, невозможно. В связи с этим есть основания думать, что по мере развития науки и техники будет устанавливаться своего рода динамическое равновесие между синтетическими и природными алмазами. Количественное соотношение различных сортов добываемых и выращиваемых алмазов при этом будет определяться потребностями народного хозяйства.

Массовое производство синтетических алмазов, как уже отмечалось, не привело к сокращению добычи природных камней. Вместе с тем, если раньше значительную часть борта приходилось дробить для получения алмазных порошков, то теперь в этом нет необходимости, что позволяет более рачительно использовать природные ресурсы нашей планеты. Нет сомнений, что и в дальнейшем натуральный алмаз и его рукотворный брат будут союзниками. Улучшение качества синтетических алмазов позволит отказаться от добычи низкосортных и сконцентрировать силы на поисках, разведке и эксплуатации месторождений наиболее высокосортных камней.