Алмазы. Искусственный и естественный рост

Я выбрал данную тему, поскольку меня заинтересовала проблема исчерпаемости полезных ископаемых. Разобрать эту проблему я решил на примере выращивания искусственных алмазов, как способ сохранения одного из самых дорогих сокровищ недр нашей планеты.

В настоящее время, время технического прогресса и быстрого развития наук, достаточно актуальным становится всестороннее рассмотрение вопроса об искусственных способах получения полезных ископаемых и разнообразных минералов, поскольку природные запасы со временем могут истощиться. И, естественно, что получение такого твердого и износостойкого минерала как алмаз в лабораторных условиях, издавна тревожили умы людей. К сожалению, достаточно длительный срок это было невозможно из-за несовершенного оборудования и недостаточных знаний по строению алмаза и его химическим свойствам.

Целью работы является всестороннее рассмотрение вопроса о получении алмазов искусственным путем, освещение разнообразных способов синтеза, а так же общее рассмотрение химических и физических свойств данного минерала.

Алмазы в истории и литературе

История алмазов

Трудно сказать, что больше всего пленяло людей в этом камне. Конечно, привлекал его особенный, яркий блеск, разновидная игра отражаемых им лучей. Однако и кроме алмаза есть много красивых камней, а первое место в семье самоцветов он занял по другой причине. Этой причиной является его необыкновенная твердость. Его можно поцарапать только другим алмазом, а с помощью его можно без труда резать, сверлить, пилить самые твердые вещества: стекло, любой металл, любой камень.

Алмаз был известен на востоке уже в глубокой древности. Индия, бесспорно, является первой страной, где впервые найден алмаз, но точное время его нахождения неизвестно.

Когда в ХІІІ веке индийские алмазы появились в Европе, ювелиры долго не могли справиться с огранкой этого сверкающего камня. Только в конце ХV века голландец Ван-Беркем дошел до мысли шлифовать камни друг о друга. Таким образом, он, сам того не зная, заново открыл способ, которым уже давно пользовались в Индии и о котором еще древнеримский ученый Плиний, писавший, что алмаз можно обработать только другим алмазом. Долго не поддавался выяснению и химический состав таинственного камня. Великие ученые - такие, как М. В. Ломоносов и Ньютон - догадывались об особой, отличной от других минералов химической природе алмаза. При этом М. В. Ломоносов высказывал изумительную по своей гениальности и совершенно правильную мысль, что причиной необычайной твердости алмаза является «сложение его из частиц, тесно соединенных».

Некоторые высказывали предположение, что алмаз состоит из особого элемента - алмазной земли. В последние годы ХVІІІ века крупный французский физик Лавуазье указал на связь алмаза с углеродом. Однако окончательные выводы он не решился делать,- настолько неправдоподобным казалось сопоставление алмаза с углем.

Упоминание в литературе. Мифы и легенды

Этот минерал известен людям уже около пяти тысяч лет, однако до сих пор привлекает к себе пристальное внимание. Описывая свойства алмаза, можно много раз употребить слово «самый» - самый твердый, самый блестящий, самый износостойкий, самый дорогой, самый редкий, самый теплопроводный и т. д. Название алмаза произошло от искаженного греческого 'αδ'αμας (адамас) – неодолимый, несокрушимый. Необыкновенные свойства способствовали возникновению легенд и поверий, связанных с этим камнем.

В Древней Индии, например, считали, что алмазы образованы из «пяти начал природы» - земли, воды, неба, воздуха и энергии. Алмазам приписывали магические свойства, поэтому сведения об их свойствах и местах добычи скрывали.

В Европу алмазы попали, видимо, в VI-V вв. до н. э. В Британском национальном музее хранится бронзовая статуэтка с двумя необработанными алмазами вместо глаз. Она найдена в Древней Греции и относится к V в. до н. э.

В книгах многих писателей средневековья и более ранних периодов можно найти упоминание об алмазах и его свойствах, как реальных, так и фантастических.

Плиний Старший в «Естественной истории» описал ряд свойств этих минералов. Так, например, он пишет, что «алмаз образуется вместе с горным хрусталем, разлагается от свежей и теплой козлиной крови, противится двум сильнейшим веществам – железу и огню, имеет антипатию к магнитному камню – будучи положен возле него, не допускает, чтобы железо от него притягивалось, соделывает бессильными яды, прогоняет пустые страхи, алмазы можно испытывать на наковальне, и они столь неподатливы к удару, что железный молот может расколоться надвое даже сама наковальня может сдвинуться с места»

На Руси слово «алмаз» впервые упомянуто в книге Афанасия Никитина «Хождение за три моря». В «Лапидариях» алмазы разделены на мужские и женские. М. И. Пыляев в своей книге «Драгоценные камни и их свойства» приводит несколько примеров из представлений об алмазе в средние века. «Алмаз укрощает ярость и сластолюбие, дает воздержание и целомудрие. Лошадь, не то, что человек, умрет от малейшей его частицы, истертой в порошок и данной в питье». Он пишет о том, что турки и персы в XVI в. считали что «пристальное созерцание прозрачного бриллианта разгоняет хандру, снимает с глаз мрачную завесу, делает человека проницательнее и настраивает его на веселый лад». «Алмаз, привязанный к руке женщины, помогает ей разрешиться от бремени, сгоняет с лица пестрый цвет, носящий алмаз угоден царям». Считалось, что из двух воюющих сторон победит та, у которой алмаз больше.

Сравнение алмаза с графитом

Трудно представить, что самый твердый из известных природных материалов является модификаций углерода. Одновременно с этим, графит так же является модификацией углерода, но он в отличие от алмаза, представляет собой мягкое вещество. В алмазе каждый атом углерода окружен четырьмя такими же атомами, которые образуют правильную четырехгранную пирамиду, в то время как графит имеет прочные связи между атомами углерода только внутри слоя. Связь же между отдельными слоями, сама по себе, слаба. И, наконец, алмаз имеет кубическую структуру, а графит – слоистую.

Формы кристаллов алмазов

Интересны и внешние формы алмаза. Его прекрасно образованные кристаллы отличаются от кристаллов всех остальных минералов. Обычно кристаллические многогранники ограничиваются ровными плоскостями и прямолинейными ребрами.

Кристаллы же алмаза очень редко ограничены прямыми ребрами. Обычно грани его округлы, состоят из блестящих, искривленных или исштрихованных поверхностей, и эти поверхности красиво пересекаются в дугах определенных направлений, отличающихся друг от друга изменчивой и непостоянной кривизной. Каждая грань кристалла несет на себе сложные и разнообразные скульптурные украшения: то бугорки, холмики, ямки, то штриховые или волнообразные искривления, то сетчатый сложный рисунок.

Величина кристаллов алмаза очень разнообразна. Так как крупные камни, представляющие исключительную редкость, ценятся необычайно высоко, и находка такого кристалла обычно отмечается прессой, то создалось мнение, что в природе алмаз встречается только в виде крупных ювелирных камней. На самом же деле крупные камни составляют ничтожный процент в мировой добыче алмазов; основная же масса представлена мелкими кристалликами.

Алмаз лучшего качества бесцветен, с сильным блеском и с прекрасной игрой цветом; про такой камень говорят, что он « чистейшей воды». Но большей частью алмазы бывают, как говорят ювелиры, « с надцветом», то есть со слабым оттенком других цветов: винно-желтого, соломенного, бурого, грязно-зеленого, синеватого, красноватого и черного. Высоко ценятся любителями алмазы, прозрачные и окрашенные в красный, синий, желтый, розовый и черные цвета.

Кристаллы алмаза разнообразны: кроме плоскогранных, распространены кривогранные формы. Наряду с изометрическими часто встречаются деформированные, удлиненные или уплощенные, а также полицентрическими или ступенчатыми гранями. Плоскогранные октаэдры с зеркально ровными гранями и острыми ребрами довольно редки, часто ребра округляются, а на гранях развиваются различные фигуры травления. Благодаря полицентрическому или ступенчатому строению граней кристаллы могут принимать вид псевдоромбододекаэдров или псевдокубов. Плоскогранные октаэдры с острыми ребрами кубического габитуса чрезвычайно редки, на гранях таких кристаллов наблюдаются четырехугольные углубления, ребра обычно сглажены.

Характерны для алмаза кривогранные формы: октаэдроиды, гексаэдроиды, додекаэдроиды, тетраэдоиды, на гранях которых наблюдаются микрослоистость, вальцеобразная, параллельная, сноповидная штриховки, каплевидные и пирамидальные холмики, ямки травления, черепитчатая и дисковая скульптуры.

Открытие первых крупных месторождений

В конце ХІХ столетия были открыты алмазные россыпи, скопления алмазов в наносах рек Оранжевая, Вааль и другие. Но позднее в пустынной области Кару, на юге Африки, среди мощных пластов песчаников и сланцев было обнаружено множество огромных колоннообразных жил, уходящих глубоко в землю. Эти жилы, похожие на жерла вулканов, были названы «трубками». Количество их доходит до двухсот пятидесяти; они располагаются группами, рядами, гирляндами на обширном пространстве ровного плоскогорья. Диаметр этих трубок различен: от одного до сотен метров.

Исследования геологов

Трубки заполнены явно вулканической, магнезиальной породой- кимберлитом,- не похожей на рассекаемые трубками сланцы и песчаники. В большинстве трубок в кимберлите были найдены алмазы.

Трубки были исследованы учеными геологами, и мало-помалу картина их образования стала ясной. Это действительно своеобразные вулканические жерла, по которым из недр земли прорвалась некогда расплавленная, переполненная газами и насыщенная углеродом магма. Подъем магмы к поверхности не был спокойным и ровным; твердые породы сопротивлялись разрыву, верхние части магмы, застывая, закупоривали жерла, и это приводило иногда к гигантским взрывам. При этом развивалось колоссальное давление, под влиянием которого содержавшийся в магме углерод выкристаллизовывался в форме алмазов.

При таком объяснении становились, понятны те округлые формы кристаллов, о которых, говорили раннее. Так как взрывы в трубках происходили, время от времени, то и давление в них не было равномерным. Оно то поднималось до очень большой высоты, то резко понижалось. Кристаллизация алмазов происходила в моменты наивысшего давления. Как только оно падало, кристаллы начинали частично растворяться. А из опытов мы знаем, что при растворении кристаллы всегда приобретают округленнее контуры.

Открытие месторождений в Якутии

Поиски алмазов на Урале

Александр Гумбольдт, известный географ и геолог, сопоставив между собой данные о месторождениях золота и платины на Урале и в Бразилии, пришел к выводу, что Урал, по-видимому, богат алмазами. Однако более тщательные исследования, проведенные им прямо на месте в 1829 году по просьбе русского царя Николая I, не дали никаких положительных результатов. До 1937 года на Урале было найдено всего около 250 мелких алмазов.

Первые регулярные работы, связанные с поисками алмазов, начались в 1937 году на западных склонах Среднего Урала. На обширной территории были открыты россыпные месторождения, но оказались незначительными. Несмотря на то, что во время войны работы велись здесь весьма интенсивно, выход готовой продукции был недостаточным для покрытия растущих потребностей в алмазах. Первичных месторождений в форме хорошо известных в Южной Африке кимберлитовых трубок обнаружить не удалось.

В конце 40-х годов ленинградский геолог В. С. Соболев получил задание подготовить геологическую карту Среднесибирского плоскогорья. В ходе работы он пришел к выводу: Сибирская платформа имеет разительное сходство с южноафриканским щитом, сокровищницей алмазов. Еще один геолог, Александр Буров, пришел к аналогичному заключению чуть позже. В 1937 году в бассейне реки Енисей он нашел алмаз.

Поиски и разработка месторождений в Якутии

В 1908 году в газете «Якутская жизнь» появилось сообщение, что на одном из притоков реки Вилюй найдены золото и камень, который «должен относиться к драгоценным камням». Автор заметки – П. Староватов, якутский учитель. Едва ли кто из жителей далекой столицы проявил интерес к этой газетной заметке.

В середине 30-х годов вилюйский учитель в корреспонденции для журнала «Советское краеведение» написал: «Вилюйская область намного богаче минеральным сырьем, чем это выявили различные экспедиции. Там имеются также и алмазы». Однако широки круги специалистов продолжали сомневаться в этом.

Прошло еще 14 лет. Война вынудила приостановить до 1946 года все разведочные работы. И вот наступил момент, когда правильность предположений Староватова была подтверждена.

История «Амака»

Владимир Белов, Сергей Соколов, Григорий Файнштейн и Михаил Одинцов обучались в Иркутском университете. В первые летние дни 1941 года они разработали план в малоизученные области Якутии. Но началась война. Об экспедициях нечего было и думать.

Весной 1946 года была сформирована Тунгусская экспедиция, главным геологом которой стал Михаил Одинцов. Файнштейн, Белов, Соколов возглавили исследовательские группы.

Среди коренного населения экспедиция нашла верных и незаменимых помощников, прекрасных знатоков этих необжитых, негостеприимных мест. Егор Каплин, один из эвенкийских следопытов, придумал даже название самой экспедиции – «Амака», что по-эвенкийски значит «медведь».

Прошел год, как экспедиция отправилась в путь. И вот поступило известие о том, что в пробах грунта обнаружен крохотный кристалл алмаза. Экспедиция приняла решение вести разведочные работы дальше, в восточном направлении, на реке Вилюй и ее притоках.

В конце мая 1949 года флотилия лодок экспедиции «Амака» спустилась до среднего течения Вилюя. Экспедиция пристала к берегу, чтобы разузнать, нельзя ли обойти стоявшее на пути препятствие – водопад Улахан-хана. Вечером было принято решение, связав по три лодки вместе, штурмовать на этих «плотах» водопад. Этим же вечером Файнштейну удалось узнать, что у рыбачки, живущей в нескольких днях плавания, есть алмаз.

На следующий день лодки приблизились к ревевшему Улахан-хану. Рискованное предприятие завершилось удачно.

На четвертый день лодки пристали к правому берегу, на котором геологи обнаружили старую избу – развалюху. Рыбачки дома не оказалось, но в хижине они увидели несколько нарезанных стекол. У рыбачки действительно был алмаз.

После двенадцатидневного пути экспедиция остановилась у одного из притоков Вилюя и разбила лагерь.

В течение двух дней экспедиция «Амака» благоустраивалась. Затем начались геологоразведочные работы. Найдены первые алмаза. Хотя находки весьма скудны, уже можно сказать, что экспедиции Файнштейна удалось найти след якутских алмазов. Это произошло летом 1949 года.

В течение последующих четырех лет в Якутии побывало множество экспедиций. В среднем течении Мархи уже были обнаружены россыпные месторождения алмазов. Геологи предполагали, что в верхнем течении можно найти коренные месторождения.

Спустя некоторое время была найдена первая кимберлитовая трубка, имевшая промышленное значение. Она была названа «Зарница» и имела диаметр 550 м. Первый анализ дал положительный результат – пять алмазов.

Летом 1951 года выпускник Ленинградского высшего горного училища Николай Бобков прибыл в экспедицию «Амака». К этому времени экспедиция уже открыла десятки вторичных месторождений на Вилюе. Но никто пока еще не мог сказать, откуда же попали якутские алмазы в россыпные месторождения

Бобков надеялся попасть в состав полевой группы, но его убедили в том, что сначала необходимо поработать в лабораториях.

Молодой выпускник, получив в помощь несколько человек, приступил к работе. В ходе этой изнурительной, кропотливой работы самым тщательным образом исследовался каждый алмаз.

Изучив алмазы, найденные в верхнем течении Вилюя, Бобков пришел к выводу, что кристаллы, обнаруженные вблизи поселка Сундукар, значительно крупнее кристаллов, доставленных из других мест. Более того, его внимание привлекла и специфическая форма кристаллов. Так же были сделаны выводы о том, что первичное месторождения драгоценных камней находится совсем рядом.

По этой причине коренное месторождение алмазов следовало искать в бассейне реки Ботуобуи, правого притока Вилюя. Многие опытные геологи считали это решение более чем смелым.

К сожалению, ему практически никто не поверил, и Бобков отправился разведать Ахтаранду, левый приток Вилюя, а в августе при переправе через Вилюй Николай погиб.

Арсений Панкратов и Наталья Кинд, опытные геологи, пошли по указанному Бобковым пути. Успех не заставил себя долго ждать. На Ботуобуе они находят первый алмаз. 13 июня 1955 г. группа геологов, возглавлявшаяся Юрием Хабардиным, открыла недалеко от Иреляха, небольшого притока Ботуобуи, первичное месторождение алмазов, которое сегодня известно каждому специалисту под названием «Мир». А выросший здесь город получил название Мирный.

В феврале 1956 года правительство Советского Союза приняло решение о создании в Якутии алмазной промышленности.

Химические свойства

Химические характеристики алмаза

Алмаз – это чистейшая, прозрачная кристаллическая разновидность углерода. При сильном накаливании в струе кислорода он сгорает с образованием углекислоты, причем независимо от того, сожжем ли мы 12 весовых частей сажи, угля, графита или алмаза, мы получим во всех случаях 44 весовых частицы углекислого газа.

Некоторые высказывали предположение, что алмаз состоит из особого элемента - алмазной земли. В последние годы ХVІІІ века крупный французский физик Лавуазье указал на связь алмаза с углеродом. Однако окончательные выводы он не решился делать,- настолько неправдоподобным казалось сопоставление алмаза с углем.

Но около середины ХІХ века химическая природа алмаза была установлена на основании точных опытов.

Однако целый ряд вопросов, связанных со свойствами и происхождением алмаза, был разрешен учеными только в последние десятилетия. Теперь мы знаем, что твердый блестящий алмаз является ближайшим родственником мягкому графиту, древесному и каменному углю, саже дымовых труб.

Целый ряд вопросов, связанных со свойствами и происхождением алмаза, был разрешен учеными только в последние десятилетия. Теперь мы знаем, что твердый блестящий алмаз является ближайшим родственником мягкому графиту, древесному и каменному углю, саже дымовых труб

В последние годы обнаружена новая разновидность образований алмаза ударно-взрывного происхождения. Такие алмазы приурочены к астроблемам, которые возникают при ударе космического тела о земную кору. Возникающие при этом высокие температура и давление способствовали образованию алмазов. Размеры угловатых, неправильной формы агрегатов не превышают 1-2 мм, размеры кристалликов – 20-40 мм. Алмаза непрозрачные, черные, желтоватые или зеленоватые. Часто строение агрегатов слоистое или волокнистое.

Алмазы применяются в технике, что объясняется их высокой твердостью и износостойкостью. Твердость алмаза – 10 по шкале Мооса. Микротвердость – 93157-98648 МПа (Для сравнения: у топаза 1399, кварца – 981). Однако у алмаза наблюдается анизотропия твердости, что обусловлено особенностями структуры, и выражается в том, что на разных гранях и в различных направлениях твердость несколько отличается.

Теоретически плотность алмаза составляет 3,515 г/см³. Модуль упругости алмаза равен 88254 МПа. Прочность на разрыв 7746740 МПа. Алмаз характеризуется высокой теплопроводностью: она в два – пять раз выше, чем у металлов. Удельная теплоемкость в три раза выше, чем у твердых сплавов.

При трении алмаза о шерсть он заряжается электричеством, хотя и является диэлектриком вместе с тем отдельные разновидности алмазов, например, голубой или синий, могут обладать полупроводниковыми свойствами. Температура плавления алмаза около 4000º С. Совершенно бесцветные алмазы очень редки. Обычно наблюдается какой – либо оттенок (нацвет). Встречаются интенсивно окрашенные желтые, оранжевые, зеленые, синие, голубые, розовые, коричневые, серые и черные кристаллы.

Способы преобразования алмаза в другие вещества

При нагревании алмаз сгорая, (С+О2=СО2) образуя углекислый газ. При нагревании без доступа воздуха поверхность алмаза графитизируется при 1000ºС, (Салмаз 1000о Сграфит) при более высокой температуре он полностью переходит в графит.

В расплавленных карбонатах щелочей при 100 -1200ºС алмаз превращается в окись углерода. Отдельные металлы при более 800ºС частично растворяют алмаз.

Знаменитые алмазы

Замечательные свойства алмазов с незапамятных времен приковывали к нему внимание людей и отвели ему особенное, исключительное место среди природных минеральных тел. Особенно поражали воображение изредка находимые крупные камни. Они рассматривались как чудо, как нечто сверхъестественное. Им давали прозвища, отражавшие удивление и восхищение: «Звезда», «Море света», «Гора света» и тому подобное.

Крупные украшенные пышными элементами камни стали предметом увлечения богачей и владык. Они сияли в скипетрах и коронах царей, украшали роскошные наряды, красовались в оружии православных полководцев.

Многие из таких алмазов стали историческими. У них были, как и у знаменитых людей, подробные биографии, полные любопытных, иногда фантастических, иногда мрачных, событий.

Я расскажу краткую историю одного знаменитого алмаза-«Регента», иначе - «Пита». Этот крупнейший алмаз, весивший свыше 400каратов (80 граммов), был найден безвестным рабом на одном из приисков в Ост-Индии. Этот раб ранил себя в поясницу и спрятал камень в повязке; таким образом, ему удалось вынести алмаз с прииска. Оставалось продать его. Раб доверил это дело матросу одного из кораблей. Матрос, охваченный жаждой наживы, предательски утопил раба, завладел камнем и продал его за 20000 марок губернатору английской крепости – Питту. Негаданное богатство не пошло впрок убийце. Он быстро промотал деньги и повесился. Питт продал алмаз французскому королевскому дому, где камень получил название «Регента». Его шлифовка длилась 2 года и стоила 80000 марок. Он потерял при этом две трети своего веса, но отдельные его кусочки были проданы за 144000 марок. Затем он был похищен шайкой ловких людей, которые, однако, были пойманы, а камень оказался в руках у одного из берлинских купцов.

Купец продал этот камень Наполеону І, который велел вделать его в рукоять своей шпаги. В середине ХІХ столетия французское правительства продало часть коронных сокровищ с аукциона. На этом аукционе « Регент» был оценен уже в 6 миллионов франков.

Самый крупный из найденных алмазов получил имя «Куллинан». Он был обнаружен в 1905 г. Около г. Претории в Южной Америке. Масса «Куллинана» составляла 3106 карат (или 621 грамм), и стоил, но 9 млн. фунтов стерлингов. Алмаз был подарен английскому королю Эдуарду VI. При обработке камень был расколот на 105 частей; самая крупная из них массой 516,5 карата (или 103,3 г. ) получила название «Звезда Африки».

Алмаз «Кохинор» никогда не продавался за деньги. Он был найден в Индии еще в 56 г. до н. э. в 1304 г. Султан Алладин Кхили обманом отнял камень у царя Мальвы и увез его в Дели. В 1526 г. кабульский царь Бабур вторгся в Индию. Его сын Хумаюн увез алмаз в Персию и подарил его персидскому шаху. Потом алмаз снова в качестве подарка попал в Индию, где им завладел другой персидский шах, Надир. Увидев алмаз, он воскликнул в восхищении: «Да это же настоящая гора света!» так алмаз получил свое название: в переводе с языка фарси «Кохинор» значит «гора света». В 1747г. шах Надир был убит собственной стражей. Генерал Абдали, захватив камень, бежал в Афганистан. В 1813 г. лахорский царь Ранжит-Сингх силой оружия вернул алмаз обратно в Индию, велел вставить его в браслет, который носил на всех приемах.

Когда в 1848 г. вспыхнуло восстание двух полков, все драгоценности были объявлены военными трофеями англичан и переправлены в Англию. Алмаз подвергли переогранке, и его масса уменьшилась до 21,2г. В 1911 г. «Кохинор» был вделан в малую Королевскую государственную корону Великобритании, изготовленную для королевы Марии. Из-за своей драматической истории бриллиант « Кохинор» стал самой известной драгоценностью Англии.

Бриллиант «Орлов» с зеленовато-голубым отливом, массой 200 карат (или 40 г. ) венчает царский скипетр России. Алмаз, ставший основой этого бриллианта был найден в начале XVI века, в Голконде в Индии. Вначале он был огранен в виде «высокой розы» массой 300 карат. Шах Джехан остался недоволен огранкой и приказал перегранить камень. После этого алмаз приобрел современную форму, но масса упала. Он был вставлен в трон шаха Надира, завладевшего в 1737 г. городом Дели, и носил название «Дерианур» («море света»). Бриллиант был выкраден, попал на рынок в Амстердам, где граф Орлов и купил его в 1773 г. за 400 тысяч рублей для Екатерины II. Царица повелела вправить камень в свой золотой скипетр. ( Приложение 3).

Великолепный бриллиант «Хоуп» массой всего 45,5 карата(9,1 г) имеет редчайший глубокий сапфирово-синий цвет замечательной чистоты. Этот камень был привезен из Индии и продан французскому королю Людвигу XIV. В 1792 г. алмаз был похищен, но в 1830 г. вновь появился на рынке и был куплен лондонским банкиром Генри Хоупом, чье имя и получил. Об этом камне шла молва как о роковом камне, приносящем несчастье владельцу. Алмаз был завезен в Европу из Индии. Вместе с чумой. Все, кто им владел, либо были убиты, либо погибли при загадочных обстоятельствах: так принцесса Ламбалла - убита, королева Франции Мария-Антуанетта-обезглавленна, сын банкира Хоупа - отравлен, а его внук потерял все свое состояние. Сегодня он считается самым дорогим небольшим предметом в мире, его оценивают в $ 200 млн. , то есть чуть меньше $5 млн. за карат.

Алмаз «Шах» массой 90 карат (или 18г) – желтого цвета, но очень прозрачный, длиной 3 см - был найден. В Центральной Индии, вероятно, в1450г. Алмаз был доставлен шахскому двору в Г. Ахмаднагаре. В 1591 г. шах Низам повелел вырезать на одной из граней алмаза надпись на фарси: «Бурхан-Низам-шах второй 1000год. »

В этом же 1591 г. властитель Северной Индии Великий монгол Акбар захватил Ахмаднагар и завладел алмазом. Когда на престол династии Моголов взошел внук Акбара шах Джехан («Властитель мира»), то он приказал на другой грани алмаза вырезать еще одну надпись: «Сын Дехангир - шаха Джехан шах. 1051 год». По нашему летоисчислению шел 1642г. Сын шаха Джехана Ауренг-Зеб подвесил алмаз над своим троном и окружил его изумрудами и рубинами. До 1738 г. алмаз «Шах» хранился в Дели. В 1738 г. на Индию напал шах Надир, захватил алмаз и увез его в Персию. В 1824г. на третьей грани алмаза появилась надпись « Владыка Каджар – Фатх али-шах Султан. 1242год. ». в 1829 г. в столице Персии Тегеране убивают русского дипломата и писателя А. С. Грибоедова. правительство России требует наказания виновных. Испуганный шахский двор отправляет в Петербург сына шаха Хосров-Мирзу, который везет в дар царю алмаз «Шах». Так камень оказался в Алмазном фонде России. (Приложение 3).

Синтетический алмаз

Первые попытки создания синтетического алмаза

Алмаз абсолютно незаменимый материал в самых разных областях человеческой деятельности, начиная от ювелирной и обрабатывающей промышленности и заканчивая электронной и космической. И всё это благодаря его уникальным свойствам: твердости и износостойкости, большой теплопроводности и оптической прозрачности, высокому показателю преломления и сильной дисперсии, химической и радиационной стойкости, а также возможности его легирования электрически и оптически активными примесями. Крупные и особо чистые природные алмазы – большая редкость, неудивительно, что успешные попытки их производства вызывают огромный интерес.

Люди всегда хотели сделать алмаз более доступным: то есть не доставать его в копях, а получать лабораторным способом, причем желательно – дешевым.

Первое документально зафиксированные опыты над алмазами относятся к 1694 году. Именно тогда флорентийские ученые Аверани и Тарджиони продемонстрировали с помощью зажигательного стекла, что алмаз горит, если его нагреть до достаточно высокой температуры. На протяжении последующих веков велись непрерывные эксперименты по исследованию самого прочного в мире минерала (И. Ньютон, А. Лавуазье, С. Теннонт, Х. Дэви, М. Фарадей, Г. Розе. ), после которых стало ясно, что « величайшая драгоценность» в химическом отношении полностью аналогична графиту, углю и саже. Экспериментаторы, разумеется, пытались получить эту «драгоценность» из указанных веществ (В. Каразин, Б. Хэнней, К. Хрущев, А. Муассан). Однако по причине почти полного отсутствия информации о физико-химических свойствах алмаза и графита и несовершенства техники того времени цель так и не была достигнута.

Первые успехи на пути создания синтетического алмаза

Лишь в 1939 г. Сотрудник Института химической физики АН СССР Овсей Лейпунский провел теоретический анализ условий образования алмаза из графита и определил области стабильного существования алмаза. В результате им была изучена диаграмма состояния алмаз – графит, которая явилась основой для научного решения проблемы создания синтетических алмазов. Лейпунский рассчитал оценочные значения давления и температуры, необходимые для осуществления превращения графита в алмаз. Впоследствии его расчеты были несколько уточнены, подтверждены экспериментально.

Следующим этапом на пути к решению проблемы получения алмаза явилась разработка аппаратуры, обеспечивающей создание и поддержание в течение длительного интервала времени необходимых высоких давлений и температур. Большой вклад в развитие техники высоких давлений был внесен Нобелевским лауреатом Терси Бриджменом, разработавшим принципы действия аппаратов высокого давления.

Способы выращивания искусственных алмазов

Первые успешные опыты

Многолетние усилия конструкторов и ученых завершились в 1953 -1954 г. г. успешными опытами по синтезу алмаза. Успешная работа была проведена исследовательскими группами компаний Qeneral Electric (США) и ASEA (Швеция). Полученные образцы имели небольшие размеры (менее 1 мм) и были очень далеки от совершенства.

Американцы и шведы использовали схожие технологии – графит в смеси с металлом (растворителем углерода) помещался в твердую сжимаемую среду. Необходимое давление в 70000 – 80000 атмосфер создавалось с помощью мощного гидравлического оборудования.

Кристаллизация алмазов происходила за счет того, что расплав металла (железо, никель) при высокой температуре и давлении оказывался перенасыщенным углеродом по отношению к алмазу и ненасыщенным относительно графита. В настоящее время составлены диаграммы образования алмаза из графита с различными катализаторами. (В Приложении 2 приведена диаграмма системы алмаз – графит – никель).

При таких условиях термодинамически выгоднее растворение графита и образование алмаза. По данной технологии в настоящее время в большинстве случаев получают алмазные порошки с размером зерна 0,001 – 0,6 мм (максимально 2 мм) и концентрацией азота более 1019 атомов /см³.

Способ выращивания из газовой среды

В 1963 г. В. Ж. Эверсолом (США) и, независимо от него, советские ученые Б. Дерягин, Б. Спицын и Д. Федосеев предложили способ выращивания алмазов из газовой фазы. Суть метода в том, что углеродосодержащий газ (метан, ацетилен и др. ) в смеси с водородом и кислородом разлагают при давлении ниже 10·10² МПа, и атомы углерода осаждаются на поверхности затравочных кристаллов алмаза, что приводит к их росту. Однако получаемые подобным путем кристаллы имели ограничения по качеству.

Метод температурного градиента

Несмотря на достижение неплохих успехов в деле выращивания алмазов, нерешенной оставалась одна из главных задач – получение алмазов ювелирного качества. Лишь в 1967 г. Роберт Венторар запатентовал «метод температурного градиента», позволивший решить данную проблему.

Движущей силой кристаллизации алмаза в этом методе является перепад концентрации растворенного в металле углерода, обусловленный разностью температур в реакционном объеме. В наиболее горячей зоне располагают источник углерода, а, так называемую алмазную затравку – кристалл алмаза размером около 0,5 мм – в области с более низкой температурой. Когда металл – растворитель плавится, происходит неравномерное, из–за разницы температур, насыщение его углеродом. Равновесная концентрация углерода в расплаве на границе раздела расплав – источник углерода будет выше, чем на границе раздела расплав – алмазная затравка. Возникающий градиент концентрации приводит к диффузии углерода от источника к затравочным кристаллам, у которых расплав оказывается перенасыщенным – из него происходит осаждение углерода, вызывающее рост алмазного кристалла – затравки.

Первые алмазы ювелирного качества были получены таким способом в компании Qeneral Electric в 1970 г. За неделю под давлением 55000 – 60000 атмосфер и 1450º С при градиенте в 30 градусов были выращены алмазы массой 1 карат и длинной 5 мм. Однако стоимость выращивания алмазов оказалось значительно выше, чем добыча природных кристаллов.

Постепенно аппаратура и методы получения крупных монокристаллов совершенствовались. В настоящее время наиболее распространены две технологии: кристаллизация в условиях высоких статических давлений и температур и выращивание алмаза из углеродосодержащей газовой смеси. Оба метода позволяют создавать крупные и структурно совершенные кристаллы и управлять их химическим составом.

Прочие способы искусственного выращивания алмазов

В последнее время широкое распространение получил метод роста алмаза из газовой фазы, активизированной микроволновым излучением. При этом углеродосодержащий газ (например, метан) в смеси с водородом ионизируется, попадая в зону действия излучения, создаваемого сверхвысокочастотным генератором. Из образовавшейся плазмы, содержащей атомарный углерод, происходит его осаждение на подложку, где и растет сам кристалл. В качестве подложки для получения монокристаллов используются пластины из выращенного или природного алмаза. Температуру подложки поддерживают в диапазоне 800º - 1000º С. Параметры процесса должны строго контролироваться, поскольку все они, включая кристаллическое совершенство подложки, ее температуру и соотношение ионов в плазме, сильно влияют на качество растущего алмаза. Большинство получаемых по данной технологии кристаллов имеет коричневый оттенок, и требуют последующей термообработки для улучшения цвета.

Другая технология использует метод температурного градиента и прессовое оборудование, позволяющее поддерживать продолжительное время давление порядка 5 – 6,5 ГПа при температуре 1350º -1800ºС.

Большинство получаемых таким способом кристаллов – желтые, желто-коричневые. Они содержат в своей кристаллической решетке значительное количество одиночных атомов азота. Азот, растворяясь в расплавленном металле, активно захватывается растущим алмазом.

Привлекательность азотосодержащих кристаллов для выращивания обусловлена тем, что при прочих равных условиях скорость их кристаллизации существенно выше, чем скорость роста высокочистых по азоту монокристаллов алмаза.

К настоящему времени самым крупным рукотворным азотосодержащим алмазом является кристалл технического качества весом 34,8 карат, выращенный за 600 часов (25 дней) в исследовательском центре компании De Beers.

Управляемый синтез

Разнообразные проблемы и пути их решения

Однако в полной мере уникальные свойства алмаза могут проявиться лишь в так называемых «малоазотных» кристаллах. Содержание азота в таких алмазах менее 1018 атомов/см³. Предотвратить вхождение атомов азота в решетку алмаза можно путем введения «геттеров» азота – титана, алюминия, азота. Они связывают азот в устойчивые нитриды. Однако при этом практически всегда идет параллельное взаимодействие геттеров с углеродом и образование карбидов, которые активно захватываются растущим алмазом в виде микро – и макровключений, ухудшающих его качество.

Данную проблему можно решить путем подбора элементов конструкции той части установки высокого давления, где происходит рост кристалла, а так же оптимизацией термодинамических условий роста и скорости роста. Максимальный темп роста «особо чистых» монокристаллов алмаза на данный момент составляет около 7 мг/ч, а получаемые кристаллы могут иметь вес 7 – 9 каратов или 1,4 – 1,8 грамма.

В процессе роста также возможно управляемое легирование кристалла электрически и оптически активными примесями (бором и азотом), входящими в решетку алмаза и заменяющими в ней отдельные атомы углерода. Чаще всего алмаз легируют бором, который отвечает за его голубую окраску и полупроводниковые свойства.

Созданные в подмосковном городе Троицке технологии выращивания крупных, весом до 5 каратов, монокристаллов алмаза позволяют управлять концентрацией примесного азота в диапазоне от 109 до 106 атомов/см³ и выращивать полупроводниковые монокристаллы γ – типа, обладающих широким диапазоном удельного электрического сопротивления – от 0,1 до 1013 Ом·см. Возможно также получение слоистых алмазных структур с изменяющимися по толщине электрофизическими и оптическими свойствами.

Применение в промышленности

Не нужно забывать, что половина добываемых алмазов всегда применялась не в ювелирном деле, а различных отраслях.

Основная область его использования - горное дело, поиски скрытых в недрах земли полезных ископаемых: руд, металлов, нефти. При этих поисках огромную роль играет глубокое бурение, с помощью которого проникают в земные недра. Одним из самых мощных орудий бурения является вращающийся «колонковый бур». Это полая стальная трубка, на конце которой навинчивается цилиндрическое кольцо-коронка. На нижней стороне коронки вставляется два ряда алмазов(6-12 штук) весом от ¾ до 3 каратов. Особая машина приводит бур АО вращение, и алмазы легко просверливают самые твердые породы. При этом внутри буровой колонки сохраняется нетронутым столбик породы, в который врезается бур. Время от времени этот столбик (керн) извлекается наружу, и по нему получают точное представление о скрытых на глубине породах и минералах.

Алмаз также используется для изготовления так называемых фильеров. Фильеры – это просверленные алмазы, служащие для протягивания (волочения) тонких проволок из различных металлов, в особенности таких твердых, как вольфрам, молибден и другие, имеющие очень важное техническое значение (например, вольфрамовые нити в электролампах).

Диаметр таких проволок колеблется от 0,2 до 0,001 миллиметра. Прочность алмазных волочильных камней очень велика. Так, через один фильер была протянута медная проволока такой длины, что ее можно было несколько раз опоясать земной шар.

Алмаз в виде специальных карандашей используется, кроме того, для гравирования, для вырезания круглых и овальных стекол, водомерных трубок. С помощью алмаза ведется обточка точильных и шлифовальных кругов, изготовляемых из самых твердых материалов корунда, наждака, карборунда.

Из выращиваемого сырья изготавливают алмазные наковальни, которые позволяют вести исследования свойств веществ и фазовых переходов в них при сверхвысоких давлениях до 2,5 Мбар (что составляет примерно 2,5 млн. атмосфер). А также производят высокочувствительные датчики температуры, оптические окна для особо мощных лазеров, иглы для сканирующих зондовых микроскопов, малоинерционные нагревательные элементы, датчики ультрафиолетового, радиационного и рентгеновского излучений.

Экономическая сторона вопроса

Разворачивание рентабельного промышленного производства крупных (более 10 карат) алмазов ювелирного качества сегодня вполне реально, но выращиваемые сегодня в лабораторных и промышленных масштабах сверхчистые и легированные заданными примесями монокристаллы алмаза стоят существенно дороже природных образцов и производятся не для того, чтобы делать из них бриллианты.

Особый интерес к данному материалу в последнее время обусловлен как потребностями экспериментальной физики, так и возможностью разработки алмазной электроники. И хотя проекты алмазных микросхем еще малоосуществимы, но многие ученые работают над тем, чтобы выращенные в лабораторных условиях кристаллы алмаза были не только чистой воды, но и заданной полупроводящей микроструктуры.

Однако угрозой мировым продажам бриллиантов такое производство, скорее всего не станет. Кроме того, себестоимость добычи природных камней и производство алмазов в прессах не слишком сильно отличаются, а количество пригодных для огранки искусственных камней пока и близко несопоставимо с количеством алмазов, добываемых из недр.