Искусственные алмазы – аналог настоящих драгоценных камней. Поскольку природные алмазы – самые дорогие камни, приобрести бриллиантовые украшения многие попросту не могут.
Помимо этого, алмазы применяются не только для изготовления ювелирных украшений, но и во многих отраслях жизни человека: наука, техника, медицина. Использовать качественные и драгоценные алмазы в промышленности невыгодно. Для этого применяются дефектные камни, не представляющие особой ювелирной ценности, или искусственно выращенные алмазы.
Название «алмаз» в переводе с древнего индийского языка обозначает «неразбиваемый». Другая версия гласит: название произошло от греческого слова «адамас», что значит «непреодолимый».
Когда на мировом алмазном рынке начали появляться искусственные камни как экспериментальные образцы, часть их направили на исследование в авторитетную лабораторию Геммологического института США, где ученые сделали вывод: отличие искусственных алмазов от природных камней довольно существенное, но не каждый ювелир сможет идентифицировать и отличить настоящий алмаз от поддельного.
Главное отличительное свойство синтезированных искусственных алмазов – это чистота и твердость. Искусственный алмаз – самый твердый в мире камень. Природные алмазы могут иметь погрешности и дефекты (трещины, замутнения или вкрапления), чего нельзя сказать об искусственных камнях.
Как происходит синтез алмазов
Синтез алмазов – это технология, которой человечество обязано химии высоких давлений. Первые искусственные кристаллы был синтезированы более 60 лет назад – в 1954 г. Эта технология требует соблюдения особых условий. Производство искусственных алмазов осуществляется при температуре 2000°С и давлении 50000 атм.
Получить первые синтетические камни было непросто, поэтому их цена существенно превосходила цену на натуральные камни – примерно в 30 раз. Однако всего за десятилетие совершенствования технологии камни стали существенно дешевле. Благодаря этому, производство искусственных алмазов стало выгодным.
В современном мире синтетических алмазов производится и продается гораздо больше, чем добывается натуральных. Они составляют около 75% от общего оборота. По свойствам продукция промышленного производства отличается от натуральных самоцветов незначительно. Определить происхождение камня можно только при помощи специальных приборов высокой точности.
Синтез алмазов методом HPHT
Производство алмазов в современной промышленности основано на том, что эти камни по своему атомному составу не что иное, как форма углерода. Из атомов углерода состоят и другие материалы, например, графит.
При методе HPHT (High Pressure High Temperature — высокое давление, высокая температура) графит под высоким давлением в специальном реакторе превращают в алмазы. Для этого необходимы специальные вещества – катализаторы. Без них реакция невозможна. В качестве катализаторов могут использоваться:
- смесь карбида железа и графита;
- смесь хрома, никеля и железа;
- металлический никель и пр.
Кристаллизация возможна при высокой температуре и под высоким давлением, под воздействием ударных волн.
Как правило, в результате синтеза получают небольшие кристаллы. Их максимальный размер достигает 1 мм. Для использования в промышленных целях полученные камни пригодны, но использовать в ювелирном деле их практически невозможно.
Современные технологии дают возможность синтезировать крупные камни размером до 6 мм. Для этого маленькие кристаллы растворяются в расплавленном катализаторе. В наименее горячие участки раствора помещают крошечные кристаллы, которые послужат затравкой.
Кристаллизация требует нескольких суток, на протяжении которых необходимо поддерживать высокое давление и температуру. Для получения искусственных алмазов таких размеров, которые можно использовать для изготовления ювелирных изделий, требуются существенные затраты, поэтому их стоимость превосходит стоимость натуральных камней в несколько раз.
Метод температурного градиента
Синтетические экземпляры выращиваются в лабораториях в специальных условиях с применением высокоточного и высокотехнологического оборудования. Но для этого процесса не нужны тысячи лет, как для образования природных камней.
Оттенки и размеры специалисты могут выбирать самостоятельно. Один из методов, применяемый для выращивания искусственных алмазов, это температурный градиент с применением особых тубусов. В них помещают следующие ингредиенты:
- графитовое порошкообразное вещество;
- металлические специальные сплавы (они выступают как катализирующие вещества);
- затравки будущих искусственных камней.
Капсула находится под прессом (около 3000 т) в течение 10 суток. Расти начинает в том месте, где оказывается самое высокое давление. Благодаря высокой внутренней температуре (почти 1500° С) металл плавится, растворяя в себе графитный порошок.
Разница между температурами создает определенное давление, которое способствует движению полученной массы к «зародышу», где и происходит ее осаждение.
CVD-метод выращивания алмазов
Еще одна методика выращивания лабораторных камней называется CVD-методом (газовое осаждение). Методика заключается в засевании специальной пластины (подложки) алмазными «зародышами». Эту пластину помещают в специализированную установку, которая предварительно откачивается до высокого вакуума.
Затем камеру наполняют микроволновыми лучами и газами. Плазма в момент выращивания алмазов достигает определенной температуры (около 3100° С).
Под действием температуры происходит разложение газов в плазму, а молекулы углерода, которые адсорбируются из метана, осаждаются в виде искусственных алмазов на пластине.
Кристаллы имеют эквивалентные связи, этим и объясняются их прочность и твердость. Для искусственного выращивания используют графит, сажу, сахарный уголь и различные вещества, богатые углеродом.
Выращенные алмазы имеют несколько названий, но в основном их принято назвать искусственными или синтетическими, хотя в научной литературе можно также встретить такие названия, как:
- НРНТ-алмазы;
- CVD-алмазы.
Ученые предпочитают называть их «лабораторными камнями» или «выращенными алмазами в лабораторных условиях».
Чем синтетический алмаз отличается от природного
Внешний вид искусственных алмазов не уступает природным драгоценным камням, но их стоимость намного ниже. Синтетические камни лучше поддаются процессу огранки, поэтому даже самые маленькие кристаллы могут похвастаться безупречной огранкой.
Помимо этого, небольшие синтетические камни намного прочнее природных, поэтому настоящих алмазов небольших размеров на полках ювелирных магазинов практически не встретить: процесс извлечения их из руды очень трудоемкий.
Область применения искусственных алмазов
Благодаря своей твердости искусственно выращенные камни широко применяются для резки и шлифовки различных поверхностей. Сегодня практически все пилы, сверла, абразивы, шлифовальные и режущие инструменты имеют детали с искусственной алмазной насечкой.
Также широко применяются синтетические алмазы как полупроводники при производстве микросхем. Торговые алмазные рынки отличительны от ювелирных рынков, потому что лабораторный камень, помимо твердости, имеет отличную теплопроводность, которая в несколько раз превышает теплопроводность такого материала, например, как медь.
Основные потребители искусственных камней – это ювелиры, производители чипов для компьютерного оборудования, организации, оказывающие бурильные услуги.
Самая большая ценность лабораторных камней, полученных методом CVD, заключается в использовании их в высокотехнологических сферах деятельности человека. Искусственные (синтетические) камни применяются при изготовлении мощнейших лазерных лучей (которые на сегодняшний день используются в медицине для лечения смертельных заболеваний), создании мобильных портативных устройств.
Из них делают пасты и порошки для шлифовки и полировки поверхностей драгоценных камней, золотых и серебряных оправ, кремниевых пластин., оборудование для бурения скважин и резки различных твердых материалов. Использование этого чрезвычайно твердого материала позволяет существенно повысить производительность труда во многих отраслях промышленности – от 30% до 100%.
Искусственные камни применяют при изготовлении часов. Также с их помощью хорошо резать твердые материалы: металлы, стекло, керамику. Камни используются для производства очень тонкой и при этом очень прочной проволоки.
Специально для использования в промышленных целях синтезирован особый черный алмаз – карбонадо. Эта разновидность кристаллов еще тверже, чем природные самородки, поэтому их можно использовать для огранки и камней в ювелирных целях, и для прочих методов обработки.
Их получают методом порошковой металлургии. Для этого используется алмазный порошок, который спекается при температуре 1000°С и под давлением от 30000 до 80000 атм. Также широко распространено изготовление сверхтвердых буровых коронок из карбонадо.
Таким образом, синтез алмаза из графита возможен благодаря тому, что оба эти вещества состоят из атомов углерода, которые образуют неодинаковую кристаллическую решетку. В алмазах атомы расположены более плотно, поэтому для получения алмазов и необходимы особые условия: высокая температура и давление (или ударная волна), наличие катализаторов. Превращение графита в алмаз позволяет широко использовать этот материал в промышленности.
Наибольшие потенциалы для синтетических камней находятся в области компьютерных технологий. Детали, которые они содержат, считаются более долговечными, они могут беспрерывно работать при очень высоких температурах, чего не скажешь, например, о кремниевых компьютерных чипах.
Искусственный алмаз может выдержать высокие температуры, что обеспечивает его продуктивность, потому что от этого зависят срок службы, частота работы техники, скорость. Количество искусственных алмазов, которое производится ежегодно, это почти 5 миллиардов карат.
Ученые проводят постоянные исследования, которые уже на сегодня позволили сделать выводы о том, что искусственные алмазы будут применяться для получения изображений под водой, изображений в области медицины, для детекторов в большом адронном коллайдере, в ядерных исследованиях.
