Живые камни: как искусственные алмазы завоевывают рынок. Искусственный бриллиант, фианит, кристаллы сваровски

Люди всегда восхищались бриллиантом. Раньше его заменители вроде белого сапфира визуально опознавал даже неспециалист. Сегодня благодаря достижениям науки оригинал копируется на сто процентов. А по свойствам искусственно выращенный бриллиант лучше природного и дешевле.

Синтетические алмазы, или искусственные бриллианты, – это выращенные человеком кристаллы. Они создаются из того же углерода, что и натуральные, имеют аналогичную природным камням структуру, состав, физические свойства. Все отличает дисперсия, прочие характеристики зависят от способа создания.

Культивированные алмазы – это, как правило, камушки до 1 карата. Синтез более крупных экземпляров не окупается, хотя положение может измениться. Например, в России вырастили 10-каратный густо-синий алмаз. Он получен в условиях, имитирующих природные. У камушка изумрудная огранка, безупречные форма и блеск, а включения заметны лишь под десятикратным увеличением.

История

Что такое искусственный алмаз, первым поведал миру француз Анри Муассан в начале ХХ века. Он открыл максимально схожий камень, обнаружив осколки метеора в кратере. И стал Нобелевским лауреатом.

Ещё один популярный аналог, синтезированный советскими учёными в 1976 году, называется .

Выращивают на основе высокоуглеродистых веществ – графита, очищенной сажи, угля. Существует два основных способа, поэтому различают НРНТ- и CVD-кристаллы.

Первозданный минерал и сотворённый двойник одинаково невзрачны на вид, оба сверкают только после огранки.

Где востребованы синтетические алмазы

90% искусственных алмазов «забирают» наука и промышленность. Особо чистые экземпляры востребованы точным машиностроением и нанотехнологиями для создания инструментов повышенной прочности (шлифовальных кругов, свёрл, пил, скальпелей, ножей).

Самая узнаваемая сфера – индустрия красоты. Украшения с искусственными алмазами популярны, потому что роскошны и доступны по цене, не хлопотны в уходе.

Цвета искусственных алмазов

У натуральных бриллиантов разные цвета или оттенки. Базовая гамма созданных человеком камушков беднее – жёлтый, синий, бесцветный. Каждый привлекателен по-своему:

1. Белый. Самые желанные, поскольку традиционно бриллиант ассоциируется с белым прозрачным фоном. Но их производство наиболее трудоёмкое. Растёт кристалл медленно, постоянно нужно следить, чтобы не попал азот (иначе оттенок получится желтоватым) или бор (синеватым). Популярны даже однокаратные блестящие малютки.
2. Голубой. Гамма варьируется от небесного голубого до густого синего. Цвет создают примеси бора, вес достигает 1,25 карата.
3. Жёлтый. Самый лёгкий в создании вид. Диапазон цвета – от насыщенного лимонного до изысканной желтоватости – создают примеси азота. Иногда получается оптимистичный пламенно-оранжевый. Вес алмазов достигает двух каратов.

На сегодняшний день существует множество различных технологий получения кристаллов алмаза , для самых разнообразных целей применения, различной величины, окраски и прочности.

Алмаз есть не что иное, как чистый углерод с особой кристаллической решеткой.

Другим представителем чистого углерода на Земле является древесный уголь, графит.

Характеристика углерода:

Атомный вес углерода 12.011;

Порядковый номер в периодической системе Менделеева 6;

Количество электронов 6;

основная валентность 4;

При нормальном атмосферном давлении в жидкость не переходит;

При нагревании при нормальном давлении до температуры 3670 0 С, углерод;
переходит в газ, минуя жидкое состояние.

Характеристика алмаза:

Плотность 3.5 гр. см 2 ;

Преломление света 2,42 (Стекло 1, 8);

Твердость 2 000 000 усл. ед. (Сталь 30 000, стекло 40 000 относительно талька у которого твердость =1);

Температура перехода в графит в открытом воздухе - 1200 0 С;

Температура возгорания в среде чистого кислорода 740 0 С;

Единицы измерения алмазов - карат. Один карат равен 0.2 грамма. Алмаз, размерами 1 x 1 см = 17,5 каратов;

В алмазе каждый атом углерода соединен с 4 другими атомами углерода и расстояние между ними строго одинаково = 1,54 ангстрем. Расположены атомы углерода в алмазе по углам правильного тетраэдра атомной кристаллической решетки.

Температура испарения углерода составляет 3670 0 С (диаграмма 1) критическая точка (Z) (температура 3670 0 С. давление -120 атм.) называется первой точкой тройного состояния.

В этой точке возможны переходы углерода в твердое, газообразное или жидкое состояние.

При повышении давления и температуры, получаем вторую тройную точку (D), в которой возможны состояние углерода в виде кристаллов (алмаз ), в виде жидкости и аморфном состоянии (графит).

Наилучший результат получения алмазов при переходе из жидкого состояния углерода в кристаллическое - снижение температуры, но по возможности, оставляя очень высокое давление. Огромное значение в технологии производства алмазов играют временные характеристики процесса.

Как было ранее отмечено, углерода в жидком состоянии при нормальных условиях (760 мм рт. столба и 20 0 С) не существует. Углерод в жидком состоянии возможен и существует только при давлении свыше 120 атм. и 3740 0 С. (диаграмма 1 ).

Из физических свойств алмаза следует отметить температуру возгорания в среде кислорода которая равна 670 0 С, в основном алмаз сгорает без остатка.

При нагревании алмаза свыше 1200 0 С без воздуха начинается процесс графитизации алмаза , это и происходит при неправильной технологии процесса производства алмазов .

Способы получения искусственных кристаллов алмаза

Первым способом получения искусственных алмазов является метод приближенный к естественному возникновению природных алмазов , это сочетание очень высокого давления и высокой температуры.

Первый способ самый надежный, но и самый технологически сложный

Ниже приводится одна из лабораторных установок по получению кристаллов алмаза максимально приближенной к предполагаемой природной схеме возникновения алмазов в земной толще - мощное давление, высокая температура.

Приложение 1.

Лабораторная установка по получению искусственных алмазов представляет собой пресс высокого давления. В корпус пресса вставляется рабочий цилиндр.

В этом цилиндре предусмотрены сверления для циркуляции хладагента, и отверстия для подачи воды под давлением. В этот корпус вставляется камера, выполненная из карбида тантала в которой размещают заготовку - графит который должен превратится в алмаз .

Предусмотрен подвод медных шин для подачи электрического тока к рабочей камере.

Технология получения алмаза происходит в несколько этапов.

Вначале, после установки цилиндра в пресс высокого давления, подается вода и происходит процесс предварительного сжатия графита давлением воды, примерно до 2-3 тысячи атмосфер. Вторым этапом подается хладоагент и замораживается вода до температуры минус 12 градусов Цельсия.

При этом происходит дополнительное сжатие графита до 20 тысяч атмосфер за счет расширения льда.

На следующем этапе подается мощный импульс электрического тока продолжительностью 0.3 секунды.

На заключительном этапе размораживают лед и вынимают алмазы .

Полученные подобным образом алмазы в основном грязного цвета, имеют пористую структуру, форма кристаллов тетраэдрическая.

В большинстве своем прочнее естественных алмазов и в основном служат для технических целей.

Второй способ

Вторым способом, возможно технологически простым, но сложным по применяемой аппаратуре является способ наращивания кристаллов алмаза в среде метана (СН 4).

При этом методе кристалл алмаза нагревают до температуры 1111 0 С. и обдувают метаном. Давление в рабочей камере может быть небольшим, порядка 0,1 технической атмосферы. Это давление в основном служит для препятствия проникновения в камеру атмосферного кислорода.

Необходимо помнить, что начиная с 1200 0 С алмаз начинает свой переход в состояние графита (без доступа кмслорода).

Процесс наращивания кристалла алмаза происходит на раскаленной поверхности алмаза путем добавления атомов углерода в существующую кристаллическую решетку затравочного кристалла алмаза. Количество выделенного углерода (алмаза) 0.2 % от поверхности затравочного кристалла за один час.

Форма кристаллов получаемая подобным способом кубическая, в отличии от природной тетраэдрической, цвет черный, прочность сопоставима с естественными алмазами. По своей сути это чистый карбид, но называется алмазом в связи с очень высокой твердостью полученных кристаллов, и в связи с тем, что в качестве затравочного кристалла используют настоящие алмазы.

Третьим способом получения алмазов является метод взрыва

При этом способе получают очень мелкую алмазную пыль для производства заточных камней, абразивов. Применяют или взрыв «обычного» взрывчатого вещества, или взрыв проволоки большим импульсом тока.

Для получения плотной детонационной волны необходима мембрана которая рвется со скоростью звука в том металле из которого изготовлена мембрана (для железа это - 5000 м/сек.).

«Подогретый» графит, находящийся на так называемой "сковородке" в момент прохождения детонационной волны превращается в кристаллы алмаза .

Этот способ дает выход продукции намного больше в процентном отношении от количества графита, чем способ высокого давления.

Кристаллы получаются бесцветные, чистейшей воды, прозрачные, но очень мелкие (30 - 50 мкрн.). Форма кристаллов тетраэдрическая прочность сопоставима с природными алмазами .

Сущность данного способа получения алмазов , методом взрыва, заключается в том, что при подрыве взрывчатого вещества в замкнутом пространстве, детонационная волна при ударе с препятствием на пограничном слое, ударная волна - препятствие, создает одновременно и высокое давление и высокую температуру. Давление может достигать свыше 300 000 атм, температура десятки тысяч градусов. К сожалению (или к счастью) все это по времени укладывается в миллионные доли секунды и размеры (толщина) детонационной волны не превышает 10-30 микрон.

В момент разрыва мембраны ударная волна приобретает «плотность» и своего рода такое качество как - гомогенность.

Некоторые кристаллики алмазов получаемые подобным способом могут иметь в диаметре до 50 мк. Большое значение в данном способе имеет положка на которой расположен подогретый графит и толщина рабочего слоя.

Интересны эксперименты по «вторичному» прессованию полученных алмазов тем же способом взрыва, по принципу порошковой металлургии. В данном случае, в алмазном производстве , можно получить кристаллы различного размера и веса из алмазного порошка. В подавляющем большинстве кристаллы мутного цвета. Отмечается хрупкость полученных вторичных кристаллов алмаза . Прочность намного ниже естественных, при обработки возможны «сюрпризы». В данном случае жадность может сгубить идею в самом прямом смысле этого понимания. Толщину графита не рекомендуется превышать 60 микрон .

В четвертом способе получения алмазов применяют катализаторы

Применение катализаторов в алмазном производстве значительно помогает сократить величину давления и температуру. Кристаллы алмаза образуются в разделительном слое между раскаленным графитом и пленкой металла катализатора. При соответствующих подборах технологий можно получать до 50 граммов технических алмазов за один технологический цикл.

Как видим, из диаграммы 3 , приложение 3

Возникающие на границе перехода графит - катализатор, кристаллы алмаза продолжают свой рост при неизменных условий в рабочей камере до тех пор пока пленка из металла катализатора продолжает соединяться с графитом.
Приложение 3

Рост кристаллов продолжается и в самом легирующем металле за счет проникновения атомов углерода через тонкую пленку металла.

Искусственные алмазы полученные подобным способом представляют собой очень мелкие кристаллы (30 -200 микрон ).

Полученные при низких температурах кристаллы алмазов имеют квадратную форму строения кристаллов, черного цвета, по прочности равны или превосходят естественные.

Кристаллы полученные при высоких температурах и больших давлениях имеют октаэдрическую форму, цвет различен - желтый, синий, зеленый, белый, прозрачные и непрозрачные кристаллы. По прочности равны или превосходят естественные алмазы. Влияние катализаторов на цвет очевидно. Примесь никеля в кристаллах алмаза придает алмазу зеленоватые тона, присадки бериллия придают алмазам синие тона расцветки.

Следует отметить, что по твердости нет в мире элемента тверже алмаза , хотя по другим свойствам он может уступать некоторым искусственным элементам. В таблице приведены элементы которые могут дать более полное представление о некоторых свойствах алмаза в сравнении c другими земными элементами.

Искусственный бриллиант в прямом смысле - это ограненный соответствующим образом искусственный алмаз. Считается, что характеристики искусственных бриллиантов не уступают настоящим.

В переносном смысле искусственные бриллианты - это различные заменители драгоценного камня менее ценным, похожим на бриллиант по цвету, переливам, блеску. К таким заменителям природного бриллианта относятся синтетические фианит, муассанит, кристаллы Сваровски и тому подобные вещества. Они используются в ювелирных целях, но не обладают свойствами истинного алмаза.

В некоторых случаях в роли имитации бриллианта выступают натуральные кристаллы, например, камень берилл желтого цвета (если нужно имитировать желтые бриллианты), бесцветный сапфир или другие природные драгоценные камни. Они стоят меньше бриллианта.

Использование имитаций или искусственно выращенных бриллиантов в украшении не считается подделкой, если продавец пишет эту информацию на ценнике.

При этом цена не всегда должна быть ниже - стоимость бриллиантов, созданных человеком, сопоставима с настоящим алмазом.

Краткая история

Первые сообщения о получении искусственно выращенных бриллиантов начали поступать в мировое ученое сообщество уже в конце XIX века, однако в большинстве своем они были ложными.

Полученные кристаллы, в отличие от натуральных, отличались иным химическим составом, не состояли из углерода и не обладали свойствами алмаза, к которым в первую очередь относятся:

• максимальная среди всех известных веществ твердость - 10 по Моосу;
• высокая теплопроводность;
• высокая дисперсия света;
• низкое термическое расширение;
• химическая инертность;
• низкий коэффициент трения;
• высокое электрическое сопротивление.

Упрощенно говоря, алмаз - самый твердый в мире диэлектрик (вещество, не пропускающее ток), который очень быстро нагревается, но практически не расширяется от нагрева.

Природный алмаз - инертное вещество, не вступающее в реакцию со щелочами и кислотами в обычных условиях.

При высокой температуре алмаз вспыхивает и горит, превращаясь в графитовую сажу.

По иронии природы алмаз состоит из углерода - того же вещества, что и графит, твердость которого равна 1 по Моосу. Свойства алмаза обусловлены иной атомарной структурой.

Впервые настоящие алмазы научились получать в Швеции в 1953 году. Изобретенные тогда технологии алмазного синтеза базировались на воспроизведении природных условий образования этого минерала. Понадобилось воссоздать высокое давление и температуру - 60 тысяч атмосфер и 1,5 тысячи градусов по Цельсию, чтобы получить идеальную структуру алмаза.

Технологии производства

На данный момент истинные искусственные алмазы, огранка которых превращает их в бриллианты, выращивают двумя основными методами. Они называются HPHT и CVD-методы соответственно.

Первое название - английская аббревиатура, в переводе значит «высокое давление, высокая температура». Этот способ можно применять для получения кристаллов правильной кубической или додекаэдрической формы.

Суть метода: заготовку из графита и специальным образом подобранного легкоплавкого металла помещают в конструкцию из нескольких многотонных прессов, сдавливающих ее со всех сторон и одновременно нагревающих. Металл плавится, в нем растворяется графит, излишки металла удаляются, и при дальнейшем сжатии образуется алмаз.

Недостаток способа в том, что на одной и той же установке можно получать только одинаковые по величине и форме кристаллы.

Метод обработки высокой температурой и давлением используется для промышленной штамповки алмазов.

CVD в переводе расшифровывается как «химическое осаждение из газовой фазы». Смысл явления - в выращивании алмазной пленки на водородно-углеродной заготовке. Здесь требуются значительно меньшие давление и температура.

Методом химического осаждения можно получить как бесцветный алмаз, так и другие цвета, добавляя в газовую камеру включения некоторых металлов.

После окончания процесса результат нуждается в шлифовке и огранке, зато таким способом можно получить даже искусственный черный бриллиант.

Существует ряд более экзотических способов получения синтетических алмазов, например, синтез методом детонации взрывчатки, содержащей углерод, и обработка ультразвуком - ультразвуковая кавитация.

Однако такими способами можно изготовить только нано- и микрокристаллы, не достигающие даже одного карата. Они используются в промышленности, например, для изготовления режущего инструмента с алмазным напылением.

Только 2–3 % всех алмазов, полученных на фабрике или в лаборатории, гранятся как бриллианты и идут на украшения. Основную массу синтетических кристаллов забирает промышленность.

Тем не менее возникла ювелирная мода на драгоценности именно с рукотворными бриллиантами. Она получила распространение в основном среди последователей Гринписа.

Цвета искусственных кристаллов

Бриллианты, полученные с помощью CVD или HPHT-метода, чаще всего либо бесцветные, либо имеют голубой или желтый оттенок.

Такие цвета получаются путем введения в реакцию бора (голубой) или азота (желтый оттенок). Вырастить абсолютно бесцветный бриллиант высокой чистоты сложно из-за большого количества азота в атмосфере. Рекорд был поставлен в 2015 году, и вес полученного кристалла составил чуть более 10 карат.

Искусственный бриллиант называется выращенным, а не синтетическим, потому что по химическому составу, свойствам и характеристикам он полностью идентичен природным. Методы синтеза подразумевают иную структуру получаемых образцов.

Рынок выращенных бриллиантов функционирует легально.

Постепенно вводится правило - на изделиях с заменителями природного камня, выращенными в искусственных условиях, ставится соответствующая отметка методом лазерной гравировки, которая содержит в себе название фирмы-изготовителя и серийный номер бриллианта. Эту практику уже ввела компания-производитель Gemesis из США.

Отличить искусственный бриллиант от натурального можно при помощи специальных тестеров, просвечивающих камень в ультрафиолетовых, инфракрасных или рентгеновских лучах.

В их спектре обнаруживаются незначительное количество примесей азота или металлов, нехарактерных для творений природы.

Астрологическое значение

Поскольку искусственные бриллианты полностью идентичны природным, их могут носить те же знаки зодиака, которым соответствует природный алмаз. Это камни Огня, и «любят» они в основном людей своей стихии - Стрельцов, Львов и Овнов. Среди них бриллиант, в том числе и искусственный, особенно выделяет Овна.

Противопоказано ношение бриллиантовых украшений антиподам Огня - знакам стихии Воды, особенно Рыбам.

(«+++» - подходит идеально, «+» - можно носить, «-» - категорически противопоказан)

Заменители бриллианта

В ювелирном деле у «короля драгоценностей» есть несколько подобий природного и синтетического происхождения.

Они применяются легально, и в таком случае соответствующая информация указывается на ценнике, а цена пропорционально снижается. К сожалению, из-за высокой стоимости алмазов и бриллиантов его подобия используются для изготовления фальшивок.

Основные аналоги бриллианта:

• геркмайер - кристалл кварца, от природы похожий на ограненный алмаз, добывается в США;

• рутил природный и синтезированный;

• бесцветный сапфир;

• корундолит (разновидность шпинели);

• титанат стронция;

• аллюмоиттриевый гранат;

• горный хрусталь;

• циркон;

• фианит;

• муассанит;

• стразы Сваровски.

Самые дешевые подделки - из стекла, но они встречаются все реже и реже, так как легко опознаются даже ювелиром-любителем.

Самые распространенные

Наибольшую популярность на рынке минералов, точнее всего имитирующих бриллиант, получили фианит и муассанит.

Фианит - стопроцентно синтезированное вещество, в природе не встречающееся.

Это диоксид циркония, редкого металла. Цирконий добывается из камней цирконов, которые называют «младшими братьями алмазов».

Фианит - прозрачный кристалл с показателями дисперсии и преломления света, близкими к показателям бриллианта. Имеет алмазный блеск. Название распространено в России, оно происходит от названия института (ФИАН), где впервые синтезировали это вещество. За рубежом его называют цирконитом. Поэтому часто возникает путаница - продукт химического синтеза фианит путают с металлом цирконием и природным камнем - цирконом, тоже внешне похожим на желтоватый алмаз.

Ювелиры отличают фианит от бриллианта по массе - у цирконита она больше, а также по показателям теплопроводности - она значительно меньше, чем у алмаза. Твердость его ниже алмазной, верхний предел - 8,5 по Моосу.

Муассанит - природный минерал, названный в честь своего первооткрывателя Анри Муассана.

С химической точки зрения это карбид кремния, он же - карборунд. Несмотря на то, что открыт он был как природное вещество, в природе он встречается так же редко, как и алмаз. Но его легко синтезировать.

Синтезированный муассанит часто используется как альтернатива бриллианту или фианиту. Твердость - до 9,25 по Моосу. После огранки он блестит сильнее, чем каждый из этих кристаллов. Его показатели преломления выше, чем у алмаза, но он может иметь двойное лучепреломление (разделение луча, проходящего сквозь кристалл, надвое), чего никогда не бывает у бриллианта.

Его можно отличить от ограненного алмаза по двулучепреломлению, зеленовато-серому блеску черты и более высокой, чем у алмаза, электропроводности. Также он выявляется ультрафиолетовым облучением, при котором муассанит светится оранжево-красным цветом.

Третий широко распространенный аналог бриллианта - это высококачественные стразы, которые получают из свинцового стекла либо акрилового полимера, реже - горного хрусталя.

Наиболее качественные стразы изготавливаются компаниями Swarovski в Австрии и Preciosa в Чехии.

Технология производства синтетических алмазов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Производство ювелирных синтетических алмазов

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

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

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

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

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

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

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

Прямое превращение графита в алмаз

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Облагораживание алмазов облучением

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

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

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

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

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

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

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

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

Ценность алмазов

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

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

Как возникли синтетические алмазы

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

Технологии производства алмазов

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

Выращивание алмаза метаном

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

Виды искусственных алмазов

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

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

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

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

Где применяются синтетические алмазы

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

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

Как создать искусственный алмаз в домашних условиях

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

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

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

Стоимость искусственного алмаза

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

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

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

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

Мировые лидеры

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