Есть два алмаза, один в земле варился, другой в пробирке родился, какой жене купишь, а какой на стеклорез пустишь?

Есть два алмаза, один в земле варился, другой в пробирке родился, какой жене купишь, а какой на стеклорез пустишь?

Ладно, а теперь серьезно. У вас есть два минерала с одной огранкой, оба состоят из одного химического элемента, оба кристально чистые, с одинаковым спектром и дисперсией. Они кажутся идентичными. Однако одному из них миллиард лет, а второй недавно был выращен в лаборатории за месяц, из-за чего их стоимость отличается почти в два раза.

Первый – это природный алмаз, порожденный страшным давлением и адской температурой в недрах Земли, второй же был синтезирован в современной лаборатории. Они идентичны на 99,9% по своим химическим, физическим, оптическим (и еще каким-нибудь #@$-ическим) свойствам, но при этом искусственный бриллиант (все помнят, что бриллиант – это правильно ограненный алмаз) весом в 1 карат продается сегодня по цене в $4000, а натуральный такого же размера — за $8000.

Драгоценности из пробирки набирают популярность еще и потому, что запасы природных минералов не бесконечны, и предприниматели это прекрасно понимают. Например, в мае 2021 года одна из крупнейших ювелирных компаний мира Pandora объявила о полном переходе на бриллианты исключительно лабораторного производства. Так вот, сегодня мы немного поговорим про эти блестяшки из “инкубатора” – то есть, синтетические алмазы.

– “Лучшие друзья девушек” – это… ограненные аллотропные модификации углерода.

Мы с детства помним, что два, казалось бы, совершенно разных вещества – графит и алмаз – состоят из одного химического элемента, нашего животворящего углерода.

Свойство элементов обладать разными простыми формами называется аллотропией, а алмаз и графит – аллотропными модификациями по отношению друг к другу. Их фундаментальное отличие – это разные кристаллические решетки (рис.2). Благодаря плотно скомпонованной, трехмерной структуре решетки, где каждый атом окружен 4мя соседями на одинаковом расстоянии, алмаз является самым твердым минералом в мире. У графита же кристаллическая решетка состоит из двумерных слоев, где каждый атом углерода связан с тремя соседними атомами в плоскости. А эти плоскости в свою очередь навалены листами друг на друга и очень слабо связаны между собой, что делает графит таким мягким и идеальным для смазок и карандашей: плоскости легко скользят друг по другу и отслаиваются.

Так вот. Графита в мире в общем-то дофига (для интереса, самый крупный поставщик – это Китай), материал он нужный, но дешевый. Так что нафиг нам его искусственно растить, если он почти под ногами валяется (грубо говоря). А вот алмаз, буквально выстраданный нашей землей, – капец редкий, так еще и нужный. Его используют для изготовления ножей, свёрeл, резцов. Если вам нужен пример поэкзотиченее, то я могу добавить, что алмаз применяется в квантовых компьютерах, в часовой и ядерной промышленности (не знаю, уж где, но поверим интернету) – это все так называемые технические алмазы.

Очевидно, что красивые (а главное, дорогущие) натуральные кристаллы жаль тратить на сверло вместо колечка: этих сверел надо слишком дофига. Так что сегодня только около 20-25% всех камней приходится на долю ювелирных алмазов. А сама мысль о том, чтобы как-нибудь нагенерить алмазов на изи, была очень популярна еще с тех самых пор, как было доказано его “провинциальное” родство с графитом.

Людям в 18м веке это оно было далеко не очевидно: где чумазый неказистый графит (который вообще за отдельный элемент-то не считали – сажа какае-то), а где благородный алмаз. Но тут на помощь пришел наш горячо любимый Антоша Лавуазье, который поставил наисложнейший по своей идее опыт. Сжег алмаз нафиг. И доказал, что он представляет собой кристаллический углерод, что впоследствии и положило начало первым попыткам производства алмазов.

Добиться подтвержденного и воспроизводимого результата удалось только в 50-х годах прошлого века, и на сегодняшний день после десятилетий совершенствования техник для выращивания домашних углеродных камушков используется два основных метода:

1) Первый и самый популярный – High pressure, high temperature (HPHT). По сути то же самое, что природное образование, только на спидах: поднимаем давление, поднимаем температуру – и успешно косплеим условия в глубинах планеты. Установки для таких фокусов способны создавать давление почти 60000 атмосфер и температуру 2500 градусов по Цельсию.

Как взрастить в них кристалл? Записываем рецепт. Может быть, у кого-то в школе была небольшая работа по выращиванию кристаллов соли на бусинке в пересыщенном водном растворе? Тут примерно (с натяжкой) то же самое, только вместо соли мы засыпаем графит, вместо бусинки – маленькая алмазная затравка, а вместо воды – металлический расплав, сквозь который углерод в процессе охлаждения всей этой смеси будет нарастать на затравку.

Технология HPHT представлена тремя основными устройствами, которые отличаются по большей части только формой, расположением нагревателей и количеством прессов (рис. 6-8)

– Belt Press (ленточный) – основополагающая “классическая” установка с двумя прессами.
– Cubic Press (кубический) – Название говорит само за себя. Есть кубик, куда помещают “ингредиенты”, и есть 6 прессов, которые его сдавливают по 6-ти сторонам.
– БАРС (Беспрессовая аппаратура высокого давления “Разрезная Сфера”) – разработка ученых Сибирского отделения Академии наук СССР, которой мы можем гордиться. Это самый эффективный инструмент из представленных – монструозный шар с пуансонами разных ступеней, который использует комбинацию внутренних и внешних прессов для приложения гидравлического давления к ячейке с растущим алмазом.

2) Второй способ – CVD (chemical vapor deposition) – химическое осаждение из газа. Эта штука уже гораздо экзотичнее, в ней алмаз растет в вакуумных плазменных реакторах, как в межзвездных облаках космоса (рис.9)

Метод CVD помещает зародыш алмаза в вакуумную камеру, которая заполняется газами, богатыми углеродом, и нагревается почти до 800 градусов по Цельсию. Из-за этих чрезвычайно высоких температур газ превращается в плазму, вызывая выброс углеродных частиц. Они осаждаются на алмазных пластинах и накапливают слои, в результате чего получается грубый кристалл алмаза, который “созревает” таким образом в течение шести – десяти недель.

Алмазы HPHT ювелирного качества были представлены в 1950-х годах, а первый образец по методу CVD создан в 2001 году, однако если соблюдать технологию производства, вы не сможете отличить между собой лабораторные алмазы, созданные этими двумя разными способами. Они практически идеальны.

Всего у нас в России существует три центра по выращиванию синтетических алмазов — это Троицк, Новосибирск и Сестрорецк (Питер). Последний, между прочим, успел засветиться в нескольких рекордах по каратам искусственного алмаза.

Кстати, насчет мема на третьей картинке. Слово “синтетический” очень уж не нравится производителям, потому что якобы несет в себе оттенок пренебрежительный, так сказать “имитирующий”, а ведь, как уже было сказано, идеальный натуральный бриллиант отличается от идеального искусственного лишь возрастом (и ценой). Так что нынче говорить синтетический по отношению к таким алмазам неэкологично, правильно – lab-grown или laboratory-created.