Драгоценные камни ценились во все времена. И сегодня они остаются самым желанным украшением для женщин и символом власти и достатка для мужчин. Люди издавна приписывали самоцветам целебные и магические свойства, а их красота, блеск и изящество завораживают каждого, кто на них смотрит. Однако мало кто знает, что изучению драгоценных камней посвящена целая наука — геммология, с основами которой вас познакомит предлагаемый курс. Рождается ли камень драгоценным? Что определяет его высокую стоимость? Как отличить природный камень от искусственного? Ответы на эти вопросы вы найдете в нашем курсе. Вы увидите, как профессиональные геммологи проводят экспертизу и диагностику драгоценных камней в лаборатории, чтобы установить их происхождение с максимальной точностью. Вы научитесь различать самоцветы, узнаете о местах их добычи и месторождениях, поймёте, какие физические и оптические свойства драгоценных камней дают им такую великолепную игру света и цвета. Кроме того, вы узнаете, как развивались технологии огранки бриллиантов, а также познакомитесь с историей величайших алмазов планеты. Благодаря этому вы сможете взглянуть на драгоценные камни по-новому и научитесь разбираться в том, что вы видите на прилавках ювелирных магазинов.
4.6. Как синтезируют и выращивают кристаллы алмаза?
Loading...
来自 新西伯利亚国立大学（Novosibirsk State University） 的课程
Драгоценные камни: диагностика и экспертиза
70 评分
从本节课中
Алмаз
Этот модуль посвящен самому дорогому самоцвету – алмазу. Вы узнаете, в чем заключается уникальность этого минерала. Какими свойствами он обладает. Мы рассмотрим, как образуются алмазы в природе, какими способами их выращивают в лабораториях и какие методы используют для облагораживания. В этом модуле перед вами пройдет история разработки бриллиантовой огранки и рассказ об исторических алмазах и бриллиантах.
与讲师见面
Сергей Смирновдоктор геолого-минералогических наук, профессор
Кафедра минералогии и петрографии геолого-геофизического факультета НГУ
[МУЗЫКА]
[МУЗЫКА] Алмаз настолько дорогое вещество,
что, естественно, люди задумывались уже очень давно,
как можно получить алмаз искусственно.
И сегодня мы поговорим об истории
развития методов синтеза алмаза.
Под синтезом алмаза понимают искусственное получение алмаза,
то есть углерода, обладающего структурой алмаза,
из других веществ, доступных человеку в его жизни.
Перед вам уже знакомая вам диаграмма,
где в координатах температуры и давления показаны поля устойчивости алмаза и его
ближайшего «родственника» графита — другой кристаллической формы углерода.
Синими полями показаны температуры и давления,
которые используются в различных методах синтеза.
Большой разброс этих параметров, большой разброс давлений,
большой разброс температур для разных методов показывает,
что способов получения алмаза большое множество.
Но каким из них можно получить кристаллы,
пригодные для изготовления ювелирных изделий?
Сейчас мы с вами поговорим об истории развития этих технологий.
В 1797 году было установлено,
что один из самых желаемых драгоценных камней, на то время,
которым обладали люди, состоит из тривиального элемента — углерода.
Углерод окружает нас везде.
Даже человеческий организм в значительной степени состоит из углерода.
Из углерода состоит древесный и каменный уголь,
который люди используют для получения энергии для отопления.
Естественно, возникла мысль: если этого углерода так много,
то почему бы не получить из него алмаз?
Я не буду говорить о первых попытках получения алмаза,
которые делали еще алхимики.
Наиболее серьезные попытки синтеза алмаза были предприняты в конце XIX века,
именно в то самое время, когда активно развивается химия,
появляются новейшие достижения в области физики и так далее.
В 1879 году английский ученый
Джеймс Хеннай проводит опыты, в которых он пытается при
очень высоких температурах и очень высоких давлениях получить алмазы.
Получение высоких температур в то время представляло очень большую трудность.
Температуры необходимы были порядка 3000° C.
Сейчас, для нас не составляет трудности получить такую температуру — это
температура плазмы.
Но в конце XIX века о свойствах плазмы было известно немного,
а способов получения было еще меньше.
Еще большей трудностью было создание очень высоких давлений.
В этом отношении, больших успехов, как считается,
достиг знаменитый французский физик и химик Анри Муассан.
К тому времени Анри Муассан изобрел особый способ получения высоких температур.
Для этого он приспособил два угольных углерода,
между которыми пропускался ток и возникала электрическая дуга.
Электрическая дуга представляет собой плазму, соответственно,
можно добиться высоких температур.
Но как добиться высоких давлений?
С давних пор известно, что углерод очень хорошо растворяется в железе.
Это один из способов получения чугуна и стали.
Таким образом, если создать условия, при которых углерод растворится
в расплаве металла, а потом стремительно закалить эту смесь,
для начала будут получены высокие температуры, необходимые для создания
решетки алмаза, а при закалке сжатие металла обеспечит необходимое давление.
В 1893 году Анри Муассан, используя специальную дуговую печь,
проводит этот эксперимент и публикует его результаты, в которых он утверждает,
что им были получены кристаллы синтетического алмаза.
Впоследствии эти опыты повторяли, но в большинстве случаев
воспроизвести результат, то есть получить кристаллы алмаза, не удалось.
В некоторых случаях считалось, что и Анри Муассан не смог
получить кристаллы алмаза, а синтезированное им вещество,
очень высокой твердости, представляло собой карбид кремния.
Впоследствии минерал в природе, который обладает составом карбида кремния,
был назван в честь Анри Муассана — муассанитом.
Кстати, о нем мы тоже будем говорить в наших лекциях.
В 1941 году непосредственно перед началом Второй мировой войны
американская компания General Electric запускает проект,
который был нацелен на создание технологии получения синтетических алмазов.
Проблема с временем,
в которое можно было поддерживать высокое давление, оставалась нерешенной.
Ее не удалось решить до начала войны, эксперименты продолжились после.
При участии замечательного физика, выдающегося изобретателя,
Говарда Трэйси Холла было создано специальное устройство,
которое позволяло всесторонне сжимать образец до давлений,
необходимых для синтеза алмаза, при наличии высоких температур.
Это была прорывная технология, и это позволило компании
General Electric в 1954 году объявить о том, что в результате
в металл-углеродной системе были получены мелкие кристаллы алмаза.
Это было первое сообщение об успешном, контролируемом и,
что самое главное, воспроизводимом синтезе алмаза.
Однако американцы не знали, что за год до этого,
в 1953 году, в ходе секретнейшего проекта шведской
компанией ASEA были успешно проведены эксперименты по синтезу
алмаза с применением другого устройства создания давления.
Шведы скрыли эту информацию,
и опубликовали ее значительно позже компании General Electric.
Но на сегодняшний день мы считаем, что первые успешные опыты по синтезу,
воспроизводимому синтезу алмаза, были проведены шведами.
Но мелкие кристаллы алмаза, они открывали широкие просторы для развития
технологии обработки сверхтвердых материалов, для развития технологии
глубокого бурения, развития технологии создания абразивных материалов.
Но при этом невозможно было получить ювелирный алмаз, который был столь желаем.
И развитие экспериментов шло в область получения
максимально крупных кристаллов алмаза.
В 1970 году та же самая компания General Electric объявляет о том,
что ею был произведен рост на затравку крупных кристаллов
алмаза размером около 5 миллиметров — это около 1 карата.
Алмазы эти обладали ювелирным качеством.
Таким образом, начинается эпоха получения ювелирного алмаза.
Казалось бы, мечта сбылась.
Но алмазы, получавшиеся в металл-углеродных системах,
обладали одним очень большим недостатком.
Эти алмазы практически всегда имели яркий желтый цвет.
Мы с вами знаем, что алмаз ценится в значительной степени за свою бесцветность.
Получение бесцветного алмаза — это оставалось проблемой.
Еще одна интересная технология получения синтетического алмаза
была связана с выращиванием кристаллов без использования высоких давлений.
Понятно, что для того чтобы использовать высокие давления,
необходимы были большие энергии.
Но если отказаться от высоких давлений,
то можно было бы проводить процесс с меньшими энергетическими затратами.
Одним из таких процессов является отложение вещества,
переносимого высокотемпературным газом.
Таким образом, наращиваются тонкие пленки разных материалов.
Развитие микроэлектроники очень хорошо развило этот процесс получения тонких
пленок.
В 1953 году Eversol
произвел рост алмаза на затравку довольно крупного кристалла методом,
вот этим методом газового транспорта при 800° C и давлении,
которое было близким к атмосферному.
Для того чтобы произвести выращивание алмаза,
необходимы были температуры, которые предусматривали наличие плазмы.
Развитие этих инструментов сначала позволило получить поликристаллические
алмазные пленки.
Но главное было — получить рост крупного монокристалла.
Эти опыты проводились в том числе и в Советском Союзе.
В 1970 году физиками под руководством Дерягина была
разработана методика наращивания алмазных пленок на различные подложки.
Что здесь интересно?
Дело в том, что нарастить на алмаз алмазную пленку относительно легко
и понятно, но при этом необходимы крупные кристаллы алмаза,
которые являются подложкой, что увеличивает стоимость технологии.
Советские физики задумались над тем,
можно ли наращивать алмаз на неалмазные подложки.
А это открывало совершенно новые просторы, в частности, в области электроники.
Еще в конце 90-х годов эта технология не рассматривалась
в качестве перспективной с точки зрения выращивания синтетических алмазов.
Однако алмазы металл-углеродных систем обладали одной очень
неприятной особенностью: они не могли быть бесцветными.
Большая часть этих алмазов была ярко-желтого цвета.
Для того чтобы получить алмазы, не обладающие цветом,
приходилось технологию очень сильно усложнять.
И соответственно,
это увеличивало стоимость полученного синтетического продукта.
Алмазы, полученные способом газового транспорта,
не требовали значительного количества азота.
Поэтому не было желтого цвета, то есть это был способ,
который позволял получать бесцветные алмазы.
В этом направлении начали работать и в настоящее время.
Выращивание алмазов методом газового транспорта
является одним из важнейших способов синтеза ювелирных алмазов,
у которых отсутствует цвет.
Из наиболее важных достижений следует отметить опыты компаний Apollo и Gemesis,
которые продемонстрировали возможность получения крупных алмазов,
из которых можно делать бриллианты, у которых нет желтого цвета.
В 2012 году фирма Gemesis анонсировала
получение первых бесцветных ювелирных алмазов,
ну или почти бесцветных, выращиваемых методом газового транспорта.
В 2013 году эта же самая компания объявила о получении самого крупного
бесцветного синтетического алмаза, выращенного методом газового транспорта.
Это была прямоугольная огранка весом 1,29 карата.
В 2015 году российская компания
NDT сообщила о том, что она произвела синтез крупного
кристалла алмаза по стандартной технологии высоких температур и высоких давлений,
то есть с использованием в том числе металл-углеродных систем.
По заявлению этой компании, кристалл был выращен весом в 60 карат,
и из него были получены бриллианты, достигающие весом 10 карат.
Таким образом, на сегодняшний день существуют технологии получения
достаточно крупных ювелирных кристаллов методом выращивания алмаза: либо при
высоких температурах и высоких давлениях в металл-углеродной системе, либо при
относительно низких температурах и низких давлениях методом газового транспорта.
Спасибо за внимание!
А дальше мы с вами рассмотрим методики,
позволяющие получать крупные кристаллы синтетического алмаза.
