Как появляется алмаз. Образование алмазов – тайна Вселенной
Министерство финансов РФ в результате открытого аукциона по реализации на внутреннем рынке алмазов специальных размеров массой 10,8 карата и более, проведенного на территории Гохрана России, реализовало камней общей массой 3,4 тысячи карата на общую сумму около 12,8 миллиона долларов, сообщили РИА Новости в Гохране.
Первая "С" - carat weight (вес). На этом этапе идет точное определение веса камня путем взвешивания на весах или расчета по формулам, если бриллиант закреплен в изделии. Вес бриллианта выражается в каратах.
Вторая "С" - color (цвет). Совершенно бесцветные алмазы встречаются довольно редко, и практически все камни имеют оттенки различных цветов и интенсивностей. В задачу эксперта входит точное определение интенсивности и цвета бриллианта при стандартном освещении с использованием эталонов цвета.
Третья "С" - clarity (чистота). На этом этапе выявляются все внутренние несовершенства (дефекты) камня.
Четвертая "С" - cut (качество огранки). На этом этапе дается характеристика формы бриллианта, качества огранки и финишной обработки.
На основании этих параметров можно судить о том, как данный бриллиант выделяется среди других бриллиантов, на основании чего он может быть дороже, или, наоборот, дешевле.
Мировыми лидерами по добыче алмазов являются Африка и Россия. Главные африканские страны-алмазодобытчики - Ботсвана, Южноафриканская Республика и Конго (Демократическая Республика), Ангола и Намибия.
По данным Министерства финансов РФ, объем добычи алмазов в России в 2008 году составил 36,925 млн каратов общей стоимостью в 2,509 млрд долларов. Средняя стоимость одного карата добытых в РФ алмазов составила 67,95 доллара.
Согласно материалам Кимберлийского процесса (в рамках Кимберлийского процесса мировое сообщество ведет борьбу с нелегально добытыми в зонах конфликтов алмазами, мировым лидером по добыче алмазов в стоимостном выражении в 2008 году стала Ботсвана. В этой стране были добыты алмазы на сумму 3,273 млрд долларов . Россия по добыче в стоимостном выражении заняла 2-е место в мире. В мировом рейтинге по добыче в каратах (36,925 млн) Россия заняла первое место в мире.
Материал подготовлен на основе информации РИА Новости и открытых источников
Для технических и ювелирных целей ежегодно добывается до 25 тонн алмазов. Происхождение алмазов всем известно, их добывают из кимберлитовых трубок. Даже в необработанном виде, этот материал стоит 12 миллиардов долларов. Как это ни странно, но миллионы людей всю свою жизнь связали с алмазами, их добыче, обработкой и продажей. Алмазы используются не только для того, чтобы богатые барышни получали сумасшедшие по цене подарки, не только тягу к роскоши покрывают эти дорогие минералы.
Как было подсчитано, использовать в своих целях алмазные инструменты приходится с превышением экономического потенциала любой из развитых стран, примерно в два раза. Но вопрос - происхождение алмазов, одновременно и прост и сложен. О том, как они образуются в природе, есть несколько гипотез, каждая из которых имеет право на существование. Как считается в официальной науке, алмазы в свое время подвергались кристаллизации на очень больших глубинах в мантии, а затем.в кимберлитовых трубках они были доставлены к поверхности планеты. Правда о том, каков механизм образования алмазов и как растут из глубин земли кимберлиты, почему они имеют такую структуру, никто не может ответить. Алмазоносным породам в мантии и самим алмазам на сегодняшний день посвящено несколько тысяч статей, изданных в научных журналах. Но есть три главных загадки алмазов, на которые нет убедительного ответа ни в одной из статей. Почему кимберлиты можно найти только в платформенных частях, которые отличаются повышенной стабильностью и мощью. Почему глубинные слои мантии смогли пробиться изнутри земли к поверхности через тяжелые и легкие породы на 40 километров к самой поверхности. И почему кимберлитовым трубкам понадобилось пробивать именно самые стабильные толстые платформенные блоки, которые преодолеть очень сложно. А в океанических донных областях, где толщина коры составляет всего 10 километров, этих пробоин не происходит, также как в неспокойных местах, где происходят разломы коры и десятки вулканов периодически извергают лаву. Ответов на эти вопросы у современных геологов пока нет.
Вторая ключевая загадка состоит в том, почему кимберлитовые трубки имеют именно такую форму, к которой мы привыкли Если говорить строго, то они выглядят не совсем как трубки. Они скорее имеют форму бокалов, используемых для шампанского. Эти конусы имеют достаточно тонкую «ножку», которая направлена в самую глубину мантии планеты. При этом геологи считают, что это трубки взрыва, хотя как мог образоваться взрыв такой формы. Взрыв бы имел Фому сферы, именно так распространяется ударная волна в глубинах земли и на поверхности. Ведь сегодня провели немало глубинных ядерных взрывов, раскопки на этих местах показывают, что они оставляют после себя сферические образования, Но как же объяснить то, что кимберлитовые трубки или конусы всё-таки существуют. Как они могли образоваться и почему они имеют именно такую форму, никто ответить не может.
Третьей основной проблемой современных исследований об алмазах, является то, почему кристаллы в кимберлитовых породах имеют такую непривычную странную форму. Как известно, те минералы, которые проходят кристаллизацию непосредственно из расплавленной магмы, имеют характерные черты. Они имеют вид ограненных кристаллов. Это цирконы, олвин, гранат и некоторые другие кристаллические минералы. Именно поэтому происхождение алмазов имеет столько недомолвок и непонятных мест. Ведь в кимберлитах алмазы имеют форму окатанной гальки, у них нет выраженной кристаллической формы. Геологи считают, что такая странная форма была им придана на этапе формирования, когда после кристаллизации их оплавила магма высокой температуры. Но плавление, как известно, способно превратить минерал в аморфное стекло, которое уже не имеет четкой кристаллической структуры. Но округлые зерна, в которых представлены не ограненные алмазы, не имеют никаких следов потери кристаллической структуры.
Никто так и не смог обнаружить этих признаков в алмазах, найденных в кимберлитовых трубках. Зато на перерабатывающих комбинатах из алмазов получаются отличные по форме октаэдры и другие фигуры, используемые в промышленных или ювелирных целях. А ведь согласно тем воззрениям, которые существуют на сегодняшний день, на поверхность эти зерна выносятся уже в совсем готовом виде. Они выносятся на поверхность с глубины в 150-200 километров. И эти кристаллы все так смогли достичь поверхности, не смотря на то, что они имеют множество внутренних напряжений, которые позволяют раскалывать их с легкостью под определенными углами. Не смотря на это.алмазы, которые проделали такой тернистый и непростой путь, в конце этого трудного времени, выглядят так, словно они были изготовлены на заводе. А вот кристаллам циркона, апатита и граната, которые выделяются из магмы непосредственно в трубку, удалось лишиться своих граней, как ни парадоксально.
Согласно новым аналитическим и экспериментальным материалам, можно построить абсолютно новый вариант формирования кимберлитовых трубок. Эта модель хорошо объясняет то, как разрешить и остальные геологические загадки, которые связаны с происхождением алмазом. Эта модель состоит в «выдохе» Земли, состоящем из водорода и метана. И кимберлитовые трубки, это ни что иное, как проколы, оставшиеся после того, как гигантские пузыри поднимались из глубин и проходили литосферных плиты насквозь. Этот пузырь проходил как иголка через твердые породы из кристаллов, составляющие фундамент плиты, а далее формируются расширения, которые возможны при воздействии давления в несколько тысячи атмосфер уже в легких осадочных породах. Это происходит так же, как в гидравлических трубках в любом современном автомобиле. Именно под платформами могут скапливаться огромные пузыри газа, который в обычном состоянии не может найти выхода из-под тяжелой платформы. И только в виде пузырей он может найти себе выход наверх.
Большинство людей знает об алмазах только то, что это самые твердые минералы на планете и что из них делают бриллианты. А вот ответ на интересный вопрос о том, как образуются , мало кому известен. Давайте узнаем побольше о происхождении этого минерала.
Следует отметить, что «цари камней» образовываются несколькими способами. Ученые еще не пришли к единому мнению на этот счет, поэтому мы приведем самые популярные гипотезы о происхождении камня. Известно лишь, что эти неметаллы получаются в условиях сильного давления на углерод. Их и производство – дело очень дорогостоящее, это одна из причин, по которым стоимость так высока. Вторая же причина – большое количество полезных качеств, которые активно используются человеком на протяжении долгого времени.
Дитя метеорита
Еще в XIX веке кристаллы алмаза были обнаружены учеными при изучении упавшего на Землю метеорита. Как выяснилось, этот минерал, как многие другие составные части метеорита, получается при столкновении небесного тела с поверхностью планеты. Это происходит за счет огромных давления и температуры, воздействующих на углерод при ударе. Однако кристаллов в метеорите образуется очень мало. Их называют импактитами.
Мантийно-магматическая теория
Некоторые исследователи считают, что алмаз в природе образовался в период от 100 миллионов до 2,5 миллиардов лет назад под землей. Именно там, как уверяют ученые, были созданы наиболее подходящие условия для образования минералов: огромное давление, повышенная температура, однородная среда, отсутствие температурного градиента.
А посредством взрывных процессов (вулканической активности и т.п.) эти минералы были вынесены на поверхность Земли, из чего следует, что самые крупные месторождения неметаллов находятся возле отверстий в земной коре. Эта теория объясняет также то, как минерал появляется на дне океанов.
Гигантский космический шар
Вопрос, откуда берутся алмазы, исследовался с разных сторон. Когда началось изучение этих камней метеоритного происхождения, некоторые ученые считали, что в космосе минерал откалывается от огромных алмазных планет, и, соединившись с метеоритом, прилетает на Землю.
Эта теория не подтвердилась: кристаллы образовались именно так, как описано выше. Однако в космических просторах действительно существует как минимум одно тело, частично состоящее из ценного камня. Белый карлик, звезда Люси, находящаяся в созвездии Кентавра, имеет ядро из чистого алмаза. Его вес сложно сосчитать точно: ученые говорят о триллионах триллионов карат, а диаметр шарообразного ядра – около 4 тысяч километров.
Синтетические минералы
Люди давно мечтали научиться создавать этот неметалл самостоятельно, но получилось это только в ХХ веке. Углерод, а точнее его источник – графит, подвергают воздействию сильного давления и высокой температуры. Это происходит с помощью гидравлического пресса и электрического тока. Образование алмазов таким путем – это надежно, но дорого.
Существует еще два метода, с помощью которых появляются искусственные «цари камней»: воздействием взрыва и выращиванием кристаллов в метановой среде. Искусственные минералы чаще используются в производстве, чем в ювелирном деле, хотя ничем не уступают натуральным.
Основа производства, углерод, очень распространенный материал, так что проблем с добычей сырья для искусственного создания камней не возникает. По соотношению цены, качества и доступности лучшим сырьем является графит, поэтому его используют чаще всего.
К слову, синтетическое производство таких камней поспособствовало открытию нового, еще более прочного материала. Его назвали ACNR. Этот камень, который также может образовываться из углерода посредством нагревания, может даже поцарапать алмаз. Возможно, будущие поколения будут широко использовать его на практике.
Месторождения и добыча
Добыча алмазосодержащей породы – дело очень непростое. Требуется найти месторождение, разработать его и лишь после этого начать сам процесс добычи. Руду добывают с помощью машин, затем измельчают, сортируют, чтобы выделить чистую кимберлитовую породу, которая является сырьем.
Затем кимберлит отправляют на производство, где его сортируют по размеру и классу, после чего алмазы готовы к дальнейшему использованию. Часть идет на изготовление бриллианта, часть – на различные приборы.
Кимберлитовая руда есть на территории всей поверхности Земли, исключая Антарктиду. Лидерами по количеству запасов этого ценного камня являются Россия, Канада и Ботсвана. Первые же разработки появились еще в XVII веке.
Так называемый «царь камней» издавна привлекал людей большим количеством полезных свойств, основное из которых – его невероятная твердость. Но добыть кристаллы не так-то просто, особенно если учитывать, что происхождение алмазов исследовано далеко не полностью. Будем надеяться, что совсем скоро ученые решат эту проблему и поймут, как именно возникают месторождения минерала. Это позволит значительно расширить спектр его использования, а также увеличить объемы работ там, где камень уже используется.
Data-lazy-type="image" data-src="https://karatto.ru/wp-content/uploads/2017/08/almaz-1.jpg" alt="камень алмаз" width="300" height="200">
Алмаз – камень, который можно смело назвать самым известным на всей Земле. Он обладает необыкновенными физическими характеристиками и поражает своей красотой. С древних времен он использовался для украшений, а иногда даже выступал в роли самой твердой валюты. С историей его происхождения связано много легенд, а его лечебные и магические свойства изумляют и по сей день.
Камень с древней историей
История алмазов насчитывает даже по самым скромным подсчетам много миллионов лет. Многие ученые склонны считать, что возраст этих драгоценных минералов вполне может равняться возрасту нашей планеты. Это объясняет количество мифов, окутавших его появление. Происхождение алмазов связывают с Индией, куда тысячелетиями отправлялись искатели самоцветов необычайной красоты. Именно там, около трех тысяч лет до новой эры, эти камни получили широкое распространение. Их не подвергали никакой обработке, оставляя их в сокровищницах в натуральном виде.
До европейского континента минерал алмаз добрался значительно позднее, когда о нем разузнал Александр Македонский. Им был организован поход в Индию, чтобы завладеть доселе невиданными драгоценностями. Легенда гласит, что смелому воину пришлось вступить в схватку со змеями, которые стояли на страже этих богатств.
И только к концу периода Средневековья в бельгийском городе Брюгге, где была настоящая Мекка для людей, торговавших самоцветами, придумали, как придать алмазу уже привычный для нас блеск и искристость. Его стали подвергать огранке, и появился камень бриллиант, что означало «блестящий». Благодаря своим сверкающим граням, он получил невероятную популярность и стал цениться еще сильнее. Камень стали добывать в очень больших объемах, и индийские месторождения истощились. Но это только подстегнуло активные поиски новых, и такие вскоре обнаружились в Бразилии.
Png" alt="" width="60" height="51">
Сейчас добычу ведут в Австралии, на африканском континенте, в России.
Старое название алмаза у жителей Индии звучало как «фарий», римляне дали ему имя «диамонд». Греки оценили его качества и стали называть «адамасом», что означало «несокрушимый», «непревзойденный», а у арабов его нарекли «алмасом», что в переводе на русский язык означает «самый твердый».
Свойства и основные характеристики
Сегодня существует несколько теорий о том, как образуются алмазы. Например, согласно одной из них, алмаз в природе появляется тогда, когда происходит понижение температуры силикатов (соединений кремния с кислородом), находящихся в мантии коры Земли. На поверхности же они оказываются после сильных глубинных взрывов. Кроме того, есть мнение, что эти кристаллы образовались при падении метеоритов в результате одновременного воздействия высокого давления и температуры.
Png" alt="" width="47" height="78"> Алмаз, формула которого обозначается одной буквой С, раньше добывали путем бережного перемывания морских или речных россыпей песка. Тогда была небольшая вероятность отыскать такой желанный кристалл, который мог оказаться включением в другие горные породы.
Но когда в конце девятнадцатого века были обнаружены кимберлитовые трубки, добыча стала вестись уже другим способом. Такое название получали участки горной породы, содержащие ценные минералы, имеющие вертикальную коническую форму. .jpg" alt="камень алмаз" width="250" height="181">
Интересно то, как выглядит алмаз в необработанном виде, – это мелкие (до 5 мм) частички, матовые и шероховатые. Мелкие кристаллики могут срастаться между собой.
Физические свойства алмаза отличают его от других минералов, а ведь состоит он только из атомов углерода. Самыми удивительными его качествами являются следующие:
- Плотность алмаза по шкале Мооса равняется 10. Это самый максимальный показатель, который подтверждает исключительную твердость алмаза. Обрабатывать его крайне сложно, потому что он повреждает любой материал, а сам остается без каких-либо следов.
- Удивительна и способность камня, которая заключается в возникновении электрических импульсов, если с ним взаимодействуют заряженные частицы.
- Интересны и свойства алмаза противостоять действию сильных кислот. Они не могут оказать никакого воздействия, а вот при реакции с расплавами щелочи, селитры и соды возникает процесс окисления, способный «сжечь» образец.
- Температура плавления алмаза составляет 3700-4000С°. Если направить на образец струю кислорода, то при температуре около 800С° он загорится голубым пламенем. При 1000С° он сгорит, а нагретый до 2000 С° в вакууме перейдет в графит.
Интересно и строение алмаза, которое объясняет его невероятную прочность. Кристаллическая решетка алмаза имеет форму куба, на вершинах которого и внутри расположены атомы углерода, прочная связь между которыми и наделяет минерал твердостью.
Области применения
Data-lazy-type="image" data-src="https://karatto.ru/wp-content/uploads/2017/08/almaz-3.jpg" alt="камень бриллиант" width="220" height="167">
Применение алмаза не ограничивается использованием в ювелирной промышленности, в которой предпочтение отдается только экземплярам самого высшего качества.
Применение алмазов распространено в самых различных областях, среди которых:
- Медицинские приборы и инструменты. В сфере медицины использование прозрачных кристаллов очень широко. Благодаря таким приборам, позволяющим совершать тонкие разрезы, ускоряется время заживления в послеоперационный период. Скальпели, изготовленные из такого материала, долго остаются острыми. Структура алмаза делает возможным его применение в сфере производства имплантов.
- Высокая теплопроводность алмаза делает его незаменимым для использования в электронике, чтобы не допускать перегрева приборов.
- Свойства и состав алмаза объясняют его использование в области телекоммуникаций. Его ценят за способность выдерживать скачки напряжения и температур.
- Применяют его и в горнодобывающей промышленности для добавления эффективности буровому долоту.
Интересно, что только 15% кристаллов, которые добываются в мире, можно использовать для того, чтобы огранить их и получить бриллианты. Около 44-46% являются «условно пригодными» для того, чтобы подвергать их огранке. Оставшийся процент добываемого сырья идет как раз на промышленные и производственные нужды.
Как из алмаза получается бриллиант?
Многие задаются вопросом, что такое бриллиант. На самом деле это все тот же алмаз, только подвергнутый огранке. Обработка происходит в несколько этапов, в ходе которых на кристалле убираются различные изъяны. Камни подвергаются шлифовке и полировке.
Jpg" alt="алмаз круглой огранки 57 граней" width="200" height="192">
Процесс огранки очень долгий и трудоемкий. Чтобы придать кристаллу нужную форму и создать ровные грани на поверхности самого твердого минерала, используют диски из чугуна, на которые нанесено алмазное напыление. Важно правильно расположить грани, учитывая то, как на них будет падать свет. Мастерство огранки заключается в том, чтобы заставить камень сиять всеми цветами радуги. Свойства бриллианта позволяют ему преломлять лучи света по-разному, что и вызывает такой яркий блеск. Наиболее сильно эти свойства раскрываются при круглой огранке в 57 граней.
В результате огранки размеры бриллиантов значительно уменьшаются, но на стоимость это не влияет. На работу с крупным образцом могут уйти месяцы. Для этого типа камней используют три основных вида огранки кристаллов:
- Для обработки камушков круглой формы применяют бриллиантовый вид. В этом случае важно, чтобы выдерживался шахматный порядок для треугольных или ромбовидных граней на каждом ярусе.
- Прямоугольные образцы подвергаются ступенчатой огранке, при которой треугольные или трапециевидные грани идут друг над другом.
- Для огранки мелких образцов применяется метод «розы» или «розетки».
Характеристики бриллиантов различаются и по степени прозрачности. Природные минералы не могут похвастаться абсолютной чистотой и имеют различные включения. Чем таких дефектов меньше, тем выше стоимость.
Разнообразие цветов
Большинство ошибочно считает, что разновидность алмаза ограничивается только прозрачными бесцветными кристаллами. На самом же деле существует достаточно много различных цветовых вариаций, которые иногда оцениваются намного дороже классических.
Jpg" alt="" width="80" height="83">
Желтый бриллиант встречается довольно часто. Такой цвет минерал получил благодаря атомам азота, которые проникли в его кристаллическую решетку. Чем насыщеннее такой цвет, тем дороже будет стоить образец. Есть и более темные вариации, которые встречаются в Австралии. Там можно встретить и коньячный бриллиант, и рыжий алмаз.
Jpg" alt="" width="80" height="83">
Синий алмаз – настоящая редкость. Это может быть природная разновидность, получившая свой оттенок из-за наличия атомов такого химического вещества, как бор. Синий бриллиант может получиться и путем облагораживания минерала.
Jpg" alt="" width="80" height="83">
А вот голубой алмаз (его крупные экземпляры) настолько редкий, что позволить его себе могут только держатели роскошных коллекций. Более распространенным является алмаз, цвет которого стал голубым в результате нагревания и повышения давления.
Каждый ювелир не прочь заполучить в свою коллекцию зеленый алмаз, получивший свой цвет из-за природной радиации. Еще реже можно встретить красные алмазы. Их, как розовый алмаз, добывают на месторождениях Австралии.
На этом виды алмазов не заканчиваются. Существуют даже черные и белые бриллианты.
Необыкновенные свойства
Data-lazy-type="image" data-src="https://karatto.ru/wp-content/uploads/2017/08/almaz-5.jpg" alt="кольцо из золота с бриллиантом" width="200" height="136">
Бриллиантам в старину приписывались самые разные удивительные свойства. Даже современные специалисты отмечают невероятную энергетику этого минерала. Его воздействие на организм человека часто использовалось для избавления от различных недугов, как физических, так и психических. Их и сейчас используют в следующих областях медицины:
- С помощью этих самоцветов можно решить проблемы с сердцем. Камень поможет нормализовать работу сосудов и сердечной мышцы, снизит артериальное давление.
- Положительное воздействие переливающиеся кристаллы оказывают на тех людей, у кого есть проблемы с психикой. Воздействие камня снимет стрессовое состояние, успокоит нервы, поможет нормализовать сон.
- Энергия камней хорошо влияет и на женское здоровье, помогая излечиться от ряда гинекологических проблем.
- Славится минерал и своими противовоспалительными свойствами. С его помощью можно справиться с проблемами дерматологического характера. Оказать общеукрепляющее воздействие на все внутренние органы.
Чтобы почувствовать на себе целебную силу камня, можно на 24 часа положить кристалл в воду, а потом пить этот алмазный настой, который сможет укрепить иммунитет и придать тонус.
Jpg" alt="кольцо с бриллиантом" width="200" height="244">
Магические свойства бриллиант проявляет также активно. Он становится мощным защитником своего владельца, оберегая его от любого негативного воздействия извне. В древности правители всегда брали алмаз с собой на пиры, зная, что он сможет предотвратить отравление. Человеку с чистыми помыслами он сможет подарить уверенность в себе, благополучие в личной жизни, успех в карьере. Его издревле использовали для совершения магических ритуалов. Особенно эффективен в этом случае камень желтого оттенка. Красный же кристалл настолько мощный, что обуздать его получится не у всех. А вот белый сможет стать оберегом для любого человека.
Он раскроет свои качества, если сочетать его с золотом и носить его на левой руке. Кольцо дарует мужчинам удачу в игре и успех у женщин. Красивые серьги или колье придадут дамам очарования и помогут найти любовь. Наиболее активно камень раскроет свою силу перед Овнами, а вот Рыбам лучше выбрать себе другой талисман.
Тайна алмаза будоражит многих и сейчас. Этот необыкновенный камень таит в себе множество еще неизученных качеств. С некоторыми из них связаны мистические истории. Например, кристалл «Надежда» приносил своим владельцам только несчастья.
Удивительными бывают и размеры найденных самоцветов. Когда на одном из рудников нашли алмаз «Куллинан», весил он более трех тысяч карат. Большая популярность, что неудивительно, привела к тому, что ученым захотелось изготовить его искусственную вариацию. Так в ХХ веке, воздействуя на графит давлением и температурой, были получены синтетические аналоги. Отличить их от настоящих очень сложно. Часто с такой задачей могут справиться только профессионалы.
Png" alt="" width="80" height="80">
Чтобы отличить оригинал от подделки, нужно обращать внимание на количество граней (классическая огранка предполагает 57) и их четкое очертание без двоения при рассматривании через лупу, увеличивающую в 12 раз.
- Настоящий образец невозможно поцарапать, даже проведя по нему наждачной бумагой.
- Если держать его в руке, то он будет оставаться прохладным, тогда как подделка быстро нагреется до температуры тела.
- А если капнуть на поверхность каплю жира, то она останется без изменений, в то время как на подделке она сначала распадется на меньшие капельки.
Несмотря на удивительную твердость, изделия из бриллиантов нужно хранить с особой аккуратностью. При загрязнениях промывать их мыльным раствором и держать отдельно от других украшений. Не пренебрегайте помощью ювелиров. Они смогут проверить крепления и очистить камень ультразвуком.
Где растут алмазы
Первые эксперименты по синтезу алмаза в Институте геологии и геофизики СО АН СССР относятся к 1979 г. В результате многолетних исследований к настоящему времени в Институте геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН создана уникальная аппаратура высоких давлений БАРС (Беспрессовый Аппарат Разрезная Сфера) и комплекс оригинальных методов выращивания крупных кристаллов алмаза с заданными свойствами, разработаны экспериментально обоснованные модели генезиса природных алмазов. В ячейке высокого давления крошечный кристаллик алмаза постепенно растет и на седьмые сутки достигает массы 6 карат. Процесс роста идет в расплаве металлов при давлении 60 тыс. атмосфер и температуре 1500 °С. В результате получается алмаз максимально высокого качества, уникальные свойства которого можно использовать в современных устройствах для достижения рекордного уровня параметров приборов твердотельной электроники. Успехи ученых лаборатории процессов минералообразования в условиях высоких давлений ИГМ СО РАН позволили начать работы по практическому применению монокристаллов синтетического алмаза. Весьма актуальным является экспериментальное моделирование процессов природного алмазообразования. Специалисты лаборатории установили, что процессы зарождения и роста алмаза контролируются главным образом содержанием карбонатов, Н 2 О, СО 2 и щелочей в глубинных флюидах и расплавах. Впервые экспериментально доказано, что карбонаты могут быть не только средой кристаллизации, но и источником углерода алмаза...
Алмаз является самым удивительным и таинственным минералом. Он всегда привлекал внимание ученых и постепенно раскрывал свои тайны. Достаточно вспомнить истории о том, как в 1772 г. французский химик Лавуазье на глазах изумленной публики сжег алмаз, доказав, что он состоит из углерода; как в 1913 г. отец и сын Брегги расшифровали структуру этого минерала; как в «голубой земле» Южной Африки были найдены первые алмазы. А еще можно вспомнить о многочисленных попытках получения искусственных кристаллов, об экзотических опытах Муассана, синтезировавшего «алмазы», которые потом оказались карбидами. Конечно, это уже история, а мы поговорим об актуальных проблемах сегодняшней алмазной науки и немножко заглянем в завтра…
Броня крепка…
Анализ существующих методов получения алмаза показывает, что подавляющее большинство из них позволяет реализовать лишь синтез алмазной фазы в кратковременных процессах спонтанной кристаллизации. Одним из основных методов, обеспечивающих выращивание достаточно крупных монокристаллов, является метод температурного градиента, в котором алмаз растет из раствора углерода в расплаве металлов. Этот метод реализуется при давлениях 50-60 тыс. атмосфер в диапазоне температур 1400-1600 °С. Следовательно, для выращивания крупных кристаллов алмаза нужна прежде всего аппаратура, способная создавать такие условия.
Лидеры в данной области – корпорации Де Бирс, Сумитомо Электрик Индастриз и Дженерал Электрик используют для получения алмаза аппараты Belt , оснащенные мощным прессовым оборудованием массой до 200 т. В нашей стране аппаратуры такого класса не было.
В 1970-х гг. в Институте геологии и геофизики СО АН СССР по инициативе д. г. -м. н. профессора А. А. Годовикова и к. г. -м. н. И. Ю. Малиновского начались работы по созданию аппаратов высокого давления. Здесь уместно сделать отступление и сказать, что в это время бриллианты из первых крупных кристаллов синтетического алмаза, полученных учеными из Дженерал Электрик, уже были подарены английской королеве. В 1978 г. мы начали работы по тематике, связанной с синтезом алмазов. А в 1979 г. уже получили первые алмазы! Очень мелкие и черные. Посмотреть на первые алмазы приходили из всех лабораторий. Коллеги из европейской части страны нашей радости не понимали и говорили обидные слова про изобретение велосипеда и его квадратные колеса. Время шло, заводы тоннами производили алмазные порошки по «скорострельным» технологиям. Наши конструкторы Э. Н. Ран, Я. И. Шурин и В. Н. Чертаков под руководством И. Ю. Малиновского делали все новые и новые аппараты, а мы старались научить эти установки работать и учились сами.
В стране по-прежнему не было крупных синтетических алмазов. Лишь к концу 1980-х гг. в Новосибирске был создан многопуансонный аппарат «разрезная сфера», на котором впервые в России мы получили крупные кристаллы синтетического алмаза ювелирного качества массой до 1,5 карат (Пальянов и др., 1990). Для получения крупных кристаллов алмаза нужно было не только создать высокие давления и температуру, но и поддерживать эти параметры постоянными в течение нескольких дней и даже управлять при таких условиях сложнейшими процессами роста кристаллов.
В результате совместных исследований с сотрудниками Американского геммологического института (The Gemological Institute of America ) в авторитетном международном журнале Gems & Gemology появилась статья с многозначным названием: «Геммологические свойства русских кристаллов синтетического алмаза ювелирного качества» (Shigley et al. , 1993). После аттестации новосибирских кристаллов в ведущих научных центрах разработанная аппаратура и комплекс технологий были признаны и получили в зарубежной литературе соответствующие названия: БАРС-аппаратура , БАРС-технологии и БАРС-кристаллы . БАРС – это беспрессовый аппарат разрезная сфера.
Три тонны высококачественной специальной стали в каждой установке высокого давления – это наша броня, которая действительно крепка. За созданием современных БАРСов стоит огромный труд десятков сотрудников института, которые в разные годы внесли свой посильный вклад в эту разработку. Исследования в области создания синтетических алмазов неизменно поддерживались академиками Н. Л. Добрецовым и Н. В. Соболевым.
Современный БАРС совсем не похож на другие установки высокого давления. Он открывается подобно гигантской ракушке, а внутри, как жемчужина, расположен стальной шар диаметром 300 мм. Шар симметрично разрезан на одинаковые сегменты. Представьте, что вы разрезали арбуз на восемь равных частей. Получились такие трехгранные пирамидки со сферическим основанием. Теперь положили их на стол коркой вниз и срезали параллельно столу самое вкусное. Получили сегменты (или пуансоны ) первой ступени.
Если вы снова соберете эти сегменты в сферу, то внутри нее получится полость в форме октаэдра. В этой полости расположены пуансоны из карбида вольфрама (твердый сплав или победит) – только этот материал выдерживает огромные давления. Шесть пуансонов второй ступени собираются в форме октаэдра, внутри размещается ячейка высокого давления. Именно в ней происходят таинственные процессы зарождения и роста кристаллов алмаза. При достижении необходимых температуры и давления углерод, находящийся в наиболее горячей зоне (исходно это графит), растворяется в расплаве металлов и транспортируется в более холодную зону, куда помещен маленький затравочный кристаллик алмаза, который постепенно растет и на четвертые сутки достигает двух карат. Конечно, это только в том случае, если вы все сделали правильно.
Алмазы бывают разные
Хорошо известно, что алмаз имеет высочайшую твердость, которая обеспечивает традиционное его использование в технике. Но алмаз, кроме того, обладает и другими уникальными свойствами. Это ковалентный широкозонный полупроводник с теплопроводностью, в пять раз превышающей теплопроводность меди. Его характеризует высокая подвижность носителей тока, химическая, термическая и радиационная стойкость, а также способность легироваться электрически активными примесями. Мы привыкли к тому, что само слово «алмаз» автоматически подразумевает полезность всего, что с ним связано. И это совершенно справедливо.
Однако реальная картина выглядит гораздо сложнее и интереснее. Нас прежде всего интересует максимально высокий уровень качества, который условно назовем приборным. Именно на этом уровне алмаз должен проявить себя в современных приборах и устройствах как монокристалл, обладающий уникальными свойствами. Современная микроэлектроника на базе германия и кремния использует практически предельные возможности этих материалов. Поскольку алмаз является последним в ряду полупроводников с алмазным типом структуры, то именно он рассматривается как материал, на котором может быть достигнут рекордный уровень параметров приборов твердотельной электроники.
Массированный характер инвестиций в «алмазные» проекты за рубежом привел к впечатляющим результатам, однако эпоха широкого применения алмаза в высокотехнологических областях науки и техники пока еще не наступила. Одной из сдерживающих причин эксперты считают недостаточное качество как природных, так и синтетических алмазов. Уже давно ясно, что, даже лучшие из природных алмазов крайне неоднородны по дефектно-примесному составу и, соответственно, различны по свойствам.
Следовательно, задачи выращивания крупных высококачественных монокристаллов алмаза, исследование их реальной структуры и свойств весьма актуальны, поскольку в итоге направлены на получение алмазов с заданными свойствами для высокотехнологических применений. Следует подчеркнуть, что в таких индустриально развитых странах, как США и Япония, исследования и разработки по этому направлению проводятся в рамках крупных национальных программ. Да и у нас в стране ситуация в этой области постепенно улучшается.
О полезных и вредных дефектах… и немного о радуге
Итак, современной науке и технике нужны высококачественные кристаллы алмаза с различными полезными свойствами. Задача непростая, если учитывать наличие дефектов в кристаллах.
Дефектов много, они разные и условно делятся на две группы: «вредные» и «полезные». Например, включения – частички среды кристаллизации, которые кристалл захватил в процессе роста, дислокации – линейные нарушения структуры и планарные дефекты – микродвойники и дефекты упаковки. Это дефекты первой группы. Желательно, чтобы их в кристалле было как можно меньше или не было совсем.
Другая группа – это примесные и собственные дефекты , или дефектно-примесные центры. Это «полезные» дефекты, поскольку именно они определяют многие свойства кристаллов. Важно понять, какие центры отвечают за то или иное свойство, а затем создать в кристалле нужную концентрацию этих центров.
Задача сложнейшая, учитывая, что процесс роста кристаллов алмаза идет при давлении 60 тыс. атм. и температуре 1500 °С. Тем не менее мы уже научились получать кристаллы без включений, минимизировать плотность дислокаций и дефектов упаковки.
Высококачественный кристалл синтетического алмаза желтого цвета. Почему? Такое свойство обеспечивается примесью азота: достаточно 10-20 атомов азота на миллион атомов углерода. Азот «внедряется» из воздуха, который адсорбируется на исходных реактивах, и этого достаточно, чтобы 100 атомов углерода из миллиона были замещены атомами азота, а кристалл приобрел насыщенный желтый цвет. Но ведь природные алмазы бесцветны, хотя содержание примеси азота в них, как правило, на порядок выше, чем в синтетических. И снова вопрос – почему?
Дело в том, что атомы азота могут образовывать в алмазе различные центры и, соответственно, свойства кристаллов будут изменяться, в том числе и их цветовые характеристики. Подробнее о строении многочисленных примесных центров в структуре алмаза можно прочитать в замечательной книге к. ф. -м. н. Е. В. Соболева «Тверже алмаза» (Соболев, 1989). А нам нужно разобраться, в каких условиях образуются те или иные центры, и только тогда можно будет получить кристаллы с заданными свойствами.
Добавим в среду кристаллизации титан, алюминий или цирконий. Это геттеры , они соединятся с азотом, и мы получим бесцветные алмазы. Это будут кристаллы не просто бесцветные, а безазотные. Именно такие кристаллы обладают наивысшей теплопроводностью (до 2000 Вт/ (м К)). Но среди природных алмазов безазотные кристаллы встречаются очень редко и далеко не в каждом месторождении.
Теперь в среду кристаллизации, содержащую геттеры, добавим бор. (В лабораторных условиях бор легко входит в структуру алмаза, когда нет азота.) В зависимости от концентрации бора кристаллы получатся голубого, синего или даже черного цвета. Такой алмаз является полупроводником с p-типом проводимости. В природе они встречаются еще реже, чем безазотные, а в отечественных месторождениях вообще не обнаружены.
Комплексные исследования процессов роста кристаллов алмаза и изучение их реальной структуры и свойств позволяют сегодня не только воспроизвести основные типы кристаллов, существующие в природе, но и получить алмазы с новыми свойствами, аналогов которым в природе не существует.
Например, в плане создания перспективной «алмазной электроники» чрезвычайно актуальна проблема получения кристаллов алмаза, легированных электрически активными примесями. Мы уже говорили о легировании алмаза бором и получении полупроводниковых алмазов с р-типом проводимости. Вместе с тем для применения алмазов в микроэлектронике необходимо решение ряда принципиальных проблем, одной из которых является получение полупроводниковых алмазов с n-типом проводимости.
Примеси фосфора или серы способны, в принципе, образовывать донорные центры в алмазе и давать n-тип . Однако «загнать» их в структуру алмаза очень непросто. Для этого нужно взять в качестве растворителей расплавы фосфора или серы. Кристаллы, полученные в расплаве фосфора, пока очень мелкие – первые сотни микрон. Зато цвет их – фиолетовый! Инфракрасная (ИК)-спектроскопия подтверждает, что фосфор вошел в структуру алмаза. Так что первый шаг сделан и в этом направлении.
Управлять свойствами алмаза можно не только в процессе роста. Так, с помощью тех же аппаратов БАРС в лаборатории разработаны методы термобарической обработки алмазов, направленные на изменение их реальной структуры и физических свойств. Фактически это отжиг при высоком давлении, однако условия такого отжига реализуются при рекордных параметрах – давлении 80 тыс. атмосфер и температуре до 2500 °С. Оказывается, что в таких условиях происходит не только трансформация дефектно-примесной структуры алмаза (например, агрегация одиночных атомов азота в пары и другие более сложные центры), но и аннигиляция более крупных неоднородностей структуры (например, дефектов упаковки).
Берем коричневые кристаллы алмаза, содержащие азот в форме одиночных замещающих атомов (С-центры); подвергаем воздействию нужной температуры и давления. Атомы азота должны образовать пары (А-центры), а алмазы – обесцветиться.Однако после экспериментов кристаллы стали не бесцветными, как ожидалось, а зеленоватыми. На ИК-спектрах действительно наблюдаются структуры, соответствующие А-центрам. Зеленый оттенок – это проявление никель-азотных центров. Алмаз растет из раствора углерода в расплаве железа и никеля. Оказывается, что никель тоже способен встраиваться в структуру алмаза и образовывать различные никель-азотные центры.
Так что отжиг под давлением оказался удачным методом воздействия на алмазы. Это направление успешно развивает к. г. -м. н. А.А. Калинин. Именно после его экспериментов по отжигу и облагораживанию природных алмазов с коричневой окраской многие увлеклись улучшением цветовых характеристик природных алмазов, забывая иногда указать в сертификате, что камень подвергался искусственным воздействиям.
В названии данного раздела речь шла о радуге. Оранжевые, желтые, зеленые, синие и фиолетовые алмазы уже были. Какие еще цвета остались? Красный. Берем исходный кристалл с небольшой концентрацией С-центров, облучаем электронами – создаем вакансионные центры и затем нагреваем до 200 °С. Получаем удивительный цвет … морской волны. Нагреваем тот же кристалл до 1000 °С в защитной атмосфере – получаем пурпурно-красный. Вот теперь в алмазной радуге есть все цвета.
Перспективы применения
В 1980-х гг. исследования по физике алмаза были невероятно популярны. Отдельные лаборатории и даже целые институты занимались алмазными проблемами; проходили регулярные всесоюзные алмазные конференции. Но в стране не было синтезировано кристаллов алмаза крупнее одного миллиметра. Всем нужны были хорошие крупные кристаллы, но уровень развития техники и технологий не позволял их выращивать. Сегодня совсем другая ситуация: через кристалл синтетического алмаза, полученный в нашей лаборатории, можно смотреть на соседний институт и прилегающие к нему территории. Значит, есть все основания для кооперации со специалистами из различных отраслей знаний, чтобы начать работы по применению монокристаллов синтетического алмаза в высокотехнологических сферах науки и техники.
Основные направления проводимых исследований связаны с наиболее перспективными областями науки и техники, где использование алмаза вместо традиционных материалов позволит решить ряд проблем принципиального характера. Потенциальных областей применения у алмаза очень много, ограничимся лишь теми, где уже есть конкретные заделы. Так, из высококачественных кристаллов синтетического алмаза, полученных в нашей лаборатории, изготовлены алмазные наковальни, элементы рентгеновской оптики и детекторов ионизирующих излучений. Все эти изделия прошли успешные испытания в ведущих специализированных научных центрах.
Как там в недрах?
В науках о Земле алмаз рассматривается прежде всего как индикатор сверхглубинных геологических процессов (Добрецов и др., 2001). Во все времена происхождение природных алмазов было загадкой. Да и сегодня этот вопрос остается предметом очень бурных дискуссий, особенно на больших специализированных научных форумах.
Условия образования алмаза в мантии Земли большинство ученых оценивают следующим образом: давление порядка 50-60 тыс. атм., температура примерно 1000-1400 °С. Поэтому, если на вопрос: «Как там в недрах?», – вы ответите, что очень тесно и очень жарко, то, в принципе, не ошибетесь, хотя и сильно приукрасите существующие там условия.
Если по поводу температур и давления, необходимых для образования алмаза, у большинства специалистов нет существенных разногласий, то относительно состава среды кристаллизации и источника углерода ясности нет. Как говорится в таких случаях – вопрос дискуссионный. Подсказку дает сам природный алмаз. Этот сверхпрочный кристалл является уникальным контейнером, захватившим в процессе роста вещество мантии в виде включений. Минеральные включения в алмазах представлены в основном силикатами (гранат, оливин, пироксен) и сульфидами (пирротин, пентландит). Логично предположить, что алмаз кристаллизовался в силикатных или сульфидных расплавах. А может быть, в карбонатах? Ведь карбонаты тоже иногда встречаются в качестве включений в алмазах.
Начиная с работы академика В.С. Соболева (Соболев, 1960), проблема происхождения алмазов в природе обсуждается вместе с проблемой искусственного получения этого минерала. В 70-х гг. прошлого века, когда в лабораторных условиях уже научились создавать высокое давление и температуру (и, более того, умели получать алмазы, используя в качестве растворителей расплавы железа, никеля и кобальта), экспериментаторы решили помочь геологам разобраться в том, как же алмаз образуется в природе.
Классики в области высоких давлений работали аккуратно и честно. Поставили эксперименты в различных по составу расплавах; параметры – температуру, давление и длительность – выбрали такие же, как и в экспериментах с расплавами металлов, где заведомо получался алмаз. Не забыли положить и графит. Надавили, нагрели, проанализировали – нет алмаза! Повторили – опять нет. Проверили разные среды – снова алмаза нет! А что есть? Есть только метастабильный графит, образованный в области термодинамической стабильности алмаза.
Значит, углерод в этих средах при данных условиях растворяется – сказали классики и были абсолютно правы. Но нужно было сделать и следующий шаг: ответить на вопрос, почему так происходит? Экспериментаторы пришли к выводу, что есть две группы растворителей углерода: алмаз-продуцирующие и… (что делать) графит-продуцирующие. Тех, кто занимался технологическими проблемами синтеза алмаза, такое объяснение вполне устроило. А вот геологов – нет. Почему? Да потому, что алмаз в природе находится в основном в кимберлитах (карбонатно-силикатных породах), да и включения в алмазах, как уже отмечалось, состоят преимущественно из силикатов, оксидов и сульфидов.
«Не будем нервничать, – сказали экспериментаторы, – вот вам модель образования алмаза в природе… из расплава железа и никеля. Ведь сами говорили, что где-то там, в ядре Земли есть расплав металлов… и состав подходит, а главное – алмазы образуются». В общем, огорчились и те и другие, и продолжили заниматься каждый своим делом: одни – синтезировать алмазы, другие – искать их в природе. Говоря современным языком, на том этапе «интеграции» не получилось.
Тем не менее успехи были весьма значительные. Одно только открытие микроалмазов в гранатах и цирконах метаморфических пород Кокчетавского массива чего стоит (Sobolev, Shatsky, 1990). Экспериментаторы тоже не сидели сложа руки. Проблемой синтеза алмаза в неметаллических расплавах заинтересовались в Японии. Появились сообщения о кристаллизации алмаза в расплавах карбонатов при давлении 75 тыс. атм. и температуре около 2000 °С.
«Интересно, – сказали геологи, – но Р-Т -параметры (давление-температура) слишком высоки для природных процессов». К проблеме подключились научные коллективы из Англии, США, России (Черноголовка и Новосибирск), однако каждый пошел своим путем.
Учитывая, что одним из важнейших геологических факторов является время, мы снизили параметры и увеличили продолжительность экспериментов до нескольких часов. Алмаза нет. Еще увеличили длительность – и вот он, алмаз! И температура «всего» 1700 °С. «Температура выше, чем в природе», – сказали геологи. Что делать дальше? Добавили воды и еще увеличили длительность. Процесс кристаллизации алмаза пошел активнее. Да и состав в общем-то подходящий – щелочной карбонат, H 2 O и СО 2 (микровключения подобного состава все чаще и чаще стали находить в природных алмазах). Еще снизили давление и температуру, а время увеличили до 100 часов. И снова – алмаз! При давлении 57 тыс. атм. и температуре всего 1150 °С. Ура! Параметры как природные, и даже ниже, чем в металл-углеродных системах. Это был результат, достойный Nature , даже с учетом всех строгостей самого авторитетного в мире научного журнала (Pal’yanov et al. , 1999).
(«Наука из первых рук», №4, 2007 г.)
Конечно, в природе все сложнее, чем в лаборатории (Похиленко, 2007). Экспериментальными исследованиями по карбонат-силикатным взаимодействиям нам удалось доказать, что карбонаты могут быть не только средой кристаллизации, но и источником углерода алмаза (Pal’yanov et al. , 2002). В результате в модельных системах удалось создать условия для совместной кристаллизации алмаза и других мантийных минералов, таких как пироп, оливин, пироксен и коэсит (Pal’yanov et al. , 2005).
Наука не стоит на месте. Появляются новые данные о составе микро- и даже нановключений в природных алмазах. В таких включениях были обнаружены не только карбонаты, но также и хлориды и еще масса всякой «экзотики». Возникают новые и новые модели образования алмаза. Нужно детально все проверить и разобраться в механизмах кристаллизации алмаза (Pal’yanov et al. , 2007).
Наша история о том, где растут алмазы подходит к концу, а история применения алмаза в высокотехнологических областях науки и техники только начинается. Да и в геологической науке осталось еще много загадок, связанных с происхождением этих великолепных кристаллов.
Литература
Добрецов Н. Л., Кирдяшкин А. Г., Кирдяшкин А. А. Глубинная геодинамика. Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «Гео», 2001, 2-е изд., 409 с.
Пальянов Ю. Н., Малиновский И. Ю., Борздов Ю. М., Хохряков А. Ф., Чепуров А. И., Годовиков А. А., Соболев Н. В. Выращивание крупных кристаллов алмаза на беспрессовых аппаратах типа «разрезная сфера» // Докл. АН СССР. 1990. Т. 315. №5. С.1221-1224.
Похиленко Н. П. Алмазный путь длиною в три миллиарда лет. // Наука из первых рук. 2007. № 4 (16). С. 28-39.
Соболев Е. В. . Тверже алмаза. Новосибирск: Наука, 1989. 190 с.
Соболев В. С. Условия образования месторождений алмазов // Геология и геофизика. 1960. № 1. С. 7-22.
Pal’yanov Yu. N., Sokol A. G., Borzdov Yu. M., Khokhryakov A. F., Sobolev N. V. Diamond formation from mantle carbonate fluids // Nature. V. 400. 29 July 1999. P. 417-418
Pal’yanov Yu. N., Sokol A. G., Borzdov Yu. M., Khokhryakov A. F., Sobolev N. V. Diamond formation through carbonate-silicate interaction // Amer. Mineral. 2002. V. 87. №7. P. 1009-1013
Pal’yanov Yu. N., Sokol A. G., Tomilenko A. A., Sobolev N. V. Conditions of diamond formation through carbonate-silicate interaction. Eur. J. Mineralogy. 2005. V. 17. P. 207-214
Palyanov Yu. N., Shatsky V. S., Sobolev N. V., Sokol A. G. The role of mantle ultrapotassic fluids in diamond formation // roc. Nat. Acad. Sci. USA. 2007. V. 104. P. 9122-9127
Shigley J. E., Fritsch E., Koivula J. I., Sobolev N. V., Malinovsky I. Yu., Pal’yanov Yu. N. The gemological properties of Russian gem-quality synthetic yellow diamonds // Gems & Gemology. 1993. V. 29. P. 228-248
Sobolev N. V., Shatsky V. S. Diamond inclusions in garnets from metamorphic rocks // Nature. 1990. V. 343. P. 742-746