Графит получить настоящий алмаз что надо. Чтобы графит стал алмазом. Как алмаз возник в природе

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 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.

Метод	Тип Iа	Тип Iб	Тип IIа	Тип IIб
Нейтронное облучение	Зеленый	Зеленый	Зеленый	Зеленый
Нейтронное облучение + нагревание	Янтарно- желтый	Янтарно- желтый	Коричневый	Пурпурно- красный
Облучение электронами	Зеленый	Синий или зеленовато- синий	Синий или зеленовато- синий	-
Облучение электронами + нагревание	Янтарно- желтый	Пурпурно- красный	Коричневый	-

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.

Превращение алмаза в графит в представлении художника

DESY, Gesine Born

Как правило, фазовые превращения, например, переход из алмаза в графит или из белого олова в серое, происходят под действием температуры. Но существуют и необычные исключения. Оказывается, превращение алмаза в графит при облучении мягким рентгеновским излучением происходит по механизму, не связанному с нагревом материала. Этот процесс по меньшей мере в десять раз быстрее термического. Об этом сообщает международная группа физиков под руководством Франца Тавелла (SLAC, США), Свена Толеикиса (DESY, Германия) и Беаты Заи (Институт ядерной физики, Краков) в журнале High Energy Density Physics , кратко о работе рассказывает пресс-релиз DESY.

И алмаз, и графит состоят из одних и тех же атомов углерода, по-разному упакованных в материале - несмотря на . Поместив графит в условия высокой температуры и давления можно заставить атомы поменять свою упаковку - это один из двух основных способов синтеза алмазов в промышленности. Возможен и обратный процесс: под действием тепла алмаз может обратно превратиться в графит.

Источником тепла может быть как печь, так и сфокусированный луч лазера. В последнем случае перестройка атомов происходит в несколько последовательных шагов: поглощение фотонов электронами, передача энергии от возбужденных электронов в колебания кристаллической решетки, изменение структуры. Этот процесс занимает несколько пикосекунд - триллионных долей секунды. В 1979 году физики обнаружили, что иногда превращения в полупроводниках могут протекать и на меньших временных масштабах - менее пикосекунды. За это время энергия просто не успеет перейти от возбужденных электронов к кристаллической решетке. Это указало на новый не связанный с передачей тепла механизм фазовых переходов. В его основе лежит перестройка поверхности потенциальной энергии в кристалле из-за возбуждения небольшого количества электронов.

Синее - исходное состояние алмаза. Желтое - момент облучения. Красное - фазовый переход от алмаза к графиту

DESY, Nikita Medvedev

В новой работе ученым впервые удалось пронаблюдать подобное превращение алмаза в графит и определить временные масштабы, на которых это происходит. Для возбуждения электронов в алмазе физики использовали рентгеновский лазер FERMI на свободных электронах. Сразу вслед за коротким рентгеновским импульсом, образец просвечивали импульсами оптического лазера - так можно было обнаружить изменение его прозрачности, связанное с образование графита. Оказалось, что алмаз становился почти непрозрачным уже через 150 фемтосекунд (0,15 пикосекунд) после облучения. Это по меньшей мере на порядок быстрее, чем термические процессы.

Как поясняет соавтор работы, Франц Тавелла, достаточно возбудить 1,5 процента электронов в алмазе, чтобы тот начал превращаться в графит. Ученым удалось разработать математическую модель, в точности описывающую процесс - не только для графитизации алмазов, но и для превращений других материалов.

Ранее мы о первом наблюдении превращения алмаза в лонсдейлит. Для этого физики из Ливерморской национальной лаборатории также использовали короткие импульсы лазера на свободных электронах, но с гораздо большей энергией фотонов (в 100 раз больше) и интенсивностью. Такого импульса было достаточно, чтобы развить в образце давление в два миллиона атмосфер.

Владимир Королёв

Непосредственное превращение графита в алмаз требует высокой температуры и соответственно высокого давления. Поэтому для облегчения синтеза используют различные агенты, способствующие разрушению или деформации решетки графита, или снижающие энергию, необходимую для ее перестройки. Такие агенты могут оказывать каталитическое действие. Процесс синтеза алмаза объясняют также растворением графита или образованием неустойчивых соединений, выделяясь из раствора или при распаде соединений, в виде алмазов. Роль таких агентов могут играть некоторые металлы (например, их сплавы).

Необходимое для синтеза давление создается мощными гидравлическими прессами (усилием в несколько и десятки МН), в камерах с твердой сжимаемой средой. В сжимаемой среде располагается нагреватель, содержащий реакционную смесь, состоящую из графита и металла, облегчающего синтез алмаза. После создания нужного давления смесь нагревается электрическим током до температуры синтеза, который длится от нескольких секунд до нескольких часов. Для сохранения полученных алмазов в нормальных условиях прореагировавшая смесь охлаждается до комнатной температуры, а затем снимается давление.

Рис. 4.1

Таблица 4.1 ? Сравнительный анализ алмаза и графита

Параметры	Вещество

Строение	Кубическая форма. В решётке каждый атом окружён 4 ближайшими соседями, расположенными в вершинах тетраэдра, с которыми он связан прочными ковалентными силами	Гексагональная форма. Атомы образуют двумерные слои, располагаясь в них так, что каждый из них окружён 3 ближайшими соседями, с которыми он связан ковалентными силами, между слоями - слабая, остаточно-металлического типа.
Свойства	Алмаз очень твёрд и прочен и является идеальным абразивным материалом	Графит легко скользит по плоскостям, которые связаны слабыми силами Ван-дер-Ваальса
Электрический ток	Не проводит	Хорошо проводит
Расстояние между соединениями		Атом углерода окружен тремя соседними с расстоянием 1,42 нм.
Плотность	от 3470 до 3560 кг/м 3
	Бесцветные, белые, голубые, зеленые, желтоватые, коричневые, красноватые, темно-серые (до черного)	Серый, чёрный, стальной
Температурная характеристика	На воздухе алмаз сгорает при 850-1000°С. При 3600°С и выше превращается в графит	Температура плавления графита 3850 ± 50°С
Зависимость устойчивости от давления	Устойчив при более высоком давлении	При давлении, меньшем равновесного, устойчив
Использование	Промышленность (приборостроение, резцы, фильеры),ювелирные изделия и др.	Огнеупорные материалы, противопригарные краски, покрытия для сопел ракетных двигателей, изготовление щелочных аккумуляторов и др.

Алмазы могут получаться и без участия катализаторов при сжатии графита в ударной волне. Этот метод пока не получил промышленного применения.

Рис. 4.2

Рис. 4.3 ? Гексагональная форма графита

Рис. 4.4 ? Кубическая форма алмаза

Чтобы графит стал алмазом

Изучая свойства драгоценных камней, ученые пробовали нагревать их, чтобы проверить, как поведут они себя при высокой температуре. Почти все камни на глазах меняли свой цвет, и это было удивительно. Но больше всех драгоценных камней удивил исследователей алмаз – он взял да и исчез.

Это произошло в 1694 году, когда ученые Флорентийской академии наук решили проверить, что будет, если нагреть алмаз. Нагревали двумя большими линзами, которые могли с необыкновенной силой концентрировать солнечные лучи. В фокусе температура поднималась до 1000 градусов! И вот стали нагревать камешек алмаза. Он нагревался, нагревался и вдруг на глазах у потрясенных почтенных академиков испарился! Алмаза не было видно, словно он не лежал только что на столе, где проводился опыт. Многие из наблюдавших за опытом решили что это просто фокус. Кто–то даже посчитал, что это проделки темных сил. Исследователей лее это навело на мысль, что алмаз – вещество горючее.

Прошло 80 лет, и французский ученый Лавуазье снова провел опыты с нагреванием различных веществ. На этот раз нагревание производилось одной двояковыпуклой линзой. Лавуазье попробовал нагреть кусок железа, и оно, конечно, расплавилось. Золото поддалось еще быстрее. Ни за что не хотела плавиться платина. Уголь, который был на очереди следующим, сгорел без остатка. Затем Лавуазье поместил в сосуд из тугоплавкого стекла бриллиант. Ученый догадывался, что произойдет с ним. Сверхстойкий Камень должен сгореть. Так и произошло. Бриллиант, страдая от нестерпимой жары, вспыхнул ярким прекрасным пламенем и исчез. Сгорел без остатка.

Теперь нам легко объяснить, почему это произошло. Ведь мы знаем, что алмаз состоит из углерода. Такой же химический состав имеет другой минерал – графит. Только атомы углерода располагаются в нем иначе. При нагревании и графит, и алмаз сгорают, превращаясь в углекислый газ.

Французский ученый Лавуазье

А нельзя ли в таком случае получить алмаз искусственным путем из того же графита? Ведь для того, чтобы он образовался в природе, нужны века. А тут бери графит, перестраивай атомы углерода в таком порядке, какой он бывает у алмаза, – и все готово. Но это только легко сказать. А как это сделать на практике? К каким только ухищрениям ни прибегали, чтобы получить искусственный алмаз. Иногда при нагревании графита или других углеродистых веществ удавалось получить какие–то прозрачные твердые кристаллы. Но потом оказывалось, что ничего общего с природным алмазом у них нет. А ведь алмаз – это не только камень большой ювелирной ценности. Он обладает высокой технической ценностью – это самый твердый природный минерал.

Много было сделано попыток в получении искусственного алмаза. Но лишь в середине XX века пришел к ученым настоящий успех. Это произошло в Швеции. При огромных давлениях и температурах – ведь именно такие условия нужны для образования природного алмаза – был получен первый искусственный алмазик. Для этого использовали мощнейшие прессы. А веществом, которое. превращали в алмаз, был все тот же обыкновенный графит, из которого делают стержни для простых карандашей.

Через два года американским ученым удалось синтезировать алмаз. А в конце 50–х годов XX века алмазные кристаллы получили и наши ученые. Алмаз родился при температуре 2000 градусов, при давлении 50 тысяч атмосфер!

Небольшими и совсем невзрачными были первые искусственные кристаллы царя камней и минералов. Но ведь кроме алмазов–царей, лучистых и служащих для ювелирных украшений, нужны и алмазы–рабочие, которые будут приносить пользу в промышленности. Самая главная задача – наладить их производство в больших количествах. И эта задача была решена.

Теперь в промышленности алмаз почти первый друг и помощник. Непревзойденная твердость алмаза находит тысячи применений. Он нужен при гранении, полировании, шлифовке, заточке, резании, гравировании. Алмазный диск не толще бумаги позволяет измерять температуру звезд: телескоп на борту самолета поднимают в верхние слои земной атмосферы, он фокусируется на звезде, а в это время алмазную пластинку помещают на пути светового луча. Она улавливает тепло далекого небесного тела и передает его датчику* Алмаз очень хороший проводник тепла, и термометры на его основе улавливают тысячные доли градуса.

Алгдазы применяют для передачи сигналов в аппаратах связи. Алмазный кубик величиной с булавочную головку, покрытый тонкой золотой пленкой, входит в мощные передатчики. Именно с помощью них транслируются телевизионные сигналы и ведутся международные переговоры.

Из искусственного алмаза изготавливают сверхострые скальпели, которыми глазные хирурги удаляют катаракты. На таких скальпелях даже под микроскопом с тысячным увеличением не удается разглядеть неровности!

До открытия способа получения искусственных алмазов во всем мире существовали тайные промыслы по изготовлению поддельных алмазов. Поддельные бриллианты называются стразами. Для изготовления стразов использовали свинцово–борное стекло. По составу оно сходно с оптическим стеклом. Чтобы изготовить какой–либо поддельный крупный алмаз искусному мастеру нужно было лишь увидеть сам образец. Искусственный бриллиант мог обмануть взор обычных людей, но на самом деле по свойствам своим он совсем не похож на алмаз. Стразы тяжелее алмаза и, конечно, не такие твердые. Кварц или корунд сразу же оставят на нем царапину, чего истинный алмаз никогда не допустит. И вот еще очень важное отличие: алмаз, сколько ни держи его в руке, всегда будет холодным. А страз быстро согревается. У настоящих алмазов верхняя грань сверкает ярким блеском, а нижняя светится металлическим блеском. Стразы этого делать не умеют.

Ученые нашей страны создали еще один вид искусственных кристаллов, которые очень похожи на натуральные бриллианты. Их называют фианиты. Фианиты трудно переоценить. Сочетание свойств, которыми наградили их создатели, не встречаются ни у одного другого кристалла – натурального или синтетического. Они тугоплавкие, не окисляются и не испаряются при высоких температурах. По твердости уступают лишь алмазу и корунду. Замечательны их оптические свойства – отменная прозрачность и высокое светопреломление.

И, кроме того, фианиты очень красивые. В ювелирных украшениях они смотрятся как чистый бриллиант.

Шахтерская деревушка Бо Рай на юго–востоке Таиланда совсем не напоминает рай. Она напоминает скорее дикий Запад. Покосившиеся лачуги, пыльные улицы, бредущие с кирками и лопатами угрюмые старатели. Люди исподлобья смотрят на каждого гостя этих мест. «Кто ты и что тебе здесь надо?» Бо Рай охвачен рубиновой лихорадкой. На околице деревни – разрытые бульдозерами холмы, копошащиеся в красноватом песке старатели. Среди них женщины и даже дети...

Двое вооруженных пистолетами хозяев шахты наблюдают за рабочими. Ни один камешек не должен пропасть!

Но один человек все–таки пронес мимо стражи великолепный продолговатый рубин стоимостью в 7 тысяч динаров.

Было это на острове Сарандиб в Шри–Ланке. Там находится богатое месторождение рубинов. Этот человек обрил голову и отлил себе колпак из меди. В колпаке он просверлил много–много дырочек, так что колпак был похож на сито. Затем сделал в нем место для драгоценного камня, расширив углубление в области затылка. Он надел этот колпак на голову и не снимал его, пока сбритые волосы не отросли и не выступили из отверстий. Отросшие волосы, пробиваясь сквозь отверстия, обвили весь колпак так, что скрыли его полностью.

Спрятав рубин под колпак, в одежде нищего, опираясь на посох, прошел этот хитрец мимо стражи, и стражники даже не взглянули на пего. Откуда им было знать, что этот нищий – обладатель драгоценнейшего из всех к ору ядов.

На вопрос, что такое «корунд», большинство опрошенных пожмет плечами и скажет, что слыхом не слыхивали, видом не видывали, что это такое. Найдутся такие, что вспомнят: из корундов – природного минерала – получают наждачный порошок, которым чистят металлические изделия. Но если спросить, что такое сапфир, что такое рубин? С этим вопросом большинство справятся блестяще: конечно же, это драгоценные, очень красивые камни. А ведь сапфир и рубин – тоже корунды, или, говоря химическим языком, окись алюминия. В зависимости от того, какие примеси эта окись содержит: хром, железо и другие тяжелые металлы, она обретает различную окраску. Именно они придают корундам различный цвет.

Прозрачные корунды, окрашенные в красный цвет, называются рубинами. Самое необыкновенное в рубинах – их способность излучать свет. В них словно полыхает красное пламя. В чем секрет этого камня? В том, что атомы хрома – та самая волшебная примесь – не только придают рубину его великолепный цвет, но и излучают свет. Они заряжаются энергией солнечных лучей и сами начинают лучиться.

Особенно необыкновенна игра света в рубинах–астериксах. Вот как описывает такой камень в своей повести «Суламифь» А.И. Куприн: «На указательном пальце левой руки носил Соломон гемму (т. е. камень с резным украшением – авт.) кроваво–красного цвета, извергавшую из себя шесть лучей жемчужного цвета. Много сотен лет было этому кольцу, и на оборотной стороне его камня вырезана была надпись: „Все проходит”».

Астерикс с его жемчужными лучами – не вымысел писателя. Просто среди рубинов изредка встречаются камни с включениями не хрома, а другого минерала – рутила. Рутил делает рубин еще драгоценнее. В таких камнях отчетливо видно сияние многолучевой звездочки.

Имя свое рубин получил из–за своего цвета – по–латыни «рубин» означает – «красный». С древности почитали рубин на Востоке. Он был и желанным украшением, и талисманом. Названия его – «ратнарадж» и «ратнаярк», «царь самоцветов» и «вождь самоцветов» – говорят о том, как относились к рубину народы Индии. В старинном индийском предании рассказывается: «Яркое солнце Юга несет живые соки великого Асура, из которого рождаются камни. Налетает ураганом на них вечный соперник богов, царь Ланки... Падают капли тяжелой крови на лоно реки, в глубокие воды, в отражение прекрасных пальм. И называлась с тех пор река Раванангой, и загорелись с тех пор капли крови, превращенные в камни рубина, и горели с наступления темноты сказочным огнем, горящим внутри, и пронизывали воду этими огненными лучами, как лучами золота».

Самыми ценными рубинами считаются камни красного цвета с легким фиолетовым оттенком. Меньше ценятся коричневые рубины. Лучшие камни добываются из месторождений Бирмы. Они кроваво–красного цвета, так называемого цвета «голубиной крови»; если в них есть темные тона, то их называют рубинами «бычьей крови»; если светлые – просто вишневыми рубинами.

Красивые крупные рубины встречаются в природе намного реже алмазов. Например, за 100 лет, с 1870 года по 1970 год, было найдено свыше 300 кристаллов алмазов с массой более 200 карат. А таких же рубинов – всего несколько штук.

История особенно знаменитых рубинов, так же, как и алмазов, полна кровавых тайн.

Уже шесть Ееков известен «Рубин Тимура», весом 352 карата. На этом камне выгравировано шесть надписей. Были и еще три надписи, однако новые хозяева вывели их, чтобы камень не напоминал о прошлом. Из одной надписи ясно, что в 1398 году хозяином его стал великий предводитель монгол Тимур. В России и Европе его называли Тамерлан. Камень стал его военной добычей при захвате Дели. Наследником этого грозного полководца был сын Тимура Шахрух. Его имя тоже было начертано на камне. Шахруха сменил.последний из династии Тимура Мухаммед Улугбек, известный астроном. Это случилось в 1447 году. Эта дата и имя Улугбека сохранились в надписи на кристалле.

Улугбек был любимым правителем самаркандцев, но правил он недолго. Через два года он был убит по приказу собственного сына. После его смерти власть перешла к новой династии – семейству Сафави. И рубин, словно императорская корона, вместе с властью перешел к шаху Сафави. А что было дальше? И об этом рассказывают надписи на рубине. Один из шахов новой династии Аббас Сафави подарил «Рубин Тимура» Великому Моголу Джахангиру. Он повелел начертать на камне свое имя и имя отца, Великого Акбара. Его сменил шах Джахан. Этот шах любил возводить прекрасные дворцы, мечети и другие архитектурные шедевры. Например, он построил в городе Агре великолепный мавзолей Тадж–Махал, памятник любимой жене. Другое его знаменитое сооружение – Павлиний трон в зале приемов в Дели. Он был украшен, можно сказать усеян, драгоценными камнями. Среди них полыхал красным пламенем «Рубин Тимура».

Следующее имя на камне – шах Джахан. Он был свергнут своим сыном Аламгиром. И тот немедленно выгравировал на рубине свое имя. Но вот могущество Великих Моголов стало ослабевать и, наконец, во время правления шаха Мухаммеда династия пала. В 1739 году шах Надир вторгся в Индию и захватил Дели. Много добычи вывез он из этого города, в том числе и «Рубин Тимура», хранивший летопись времен. Долгое время он находился в Лахоре. А в XIX веке был поднесен хозяевами Ост–Индской кампании английской королеве Виктории.

Второй очень знаменитый рубин из сокровищ британской короны – «Черный принц». «Черным принцем» называли сына английского короля Эдуарда III, и камень получил свое название именно от него. Первое упоминание об этом рубине относится к 1367 году. Тогда им владел правитель Гранады. В битве при Нагере, в Северной Испании, сын Эдуарда III спас испанцев от поражения и в награду получил драгоценный рубин. Этот камень имеет неправильную форму, длина его около 5 сантиметров. Но цвет и свет его лучей необыкновенны. «Черный принц» знаменит не только своей красотой. Однажды он спас жизнь английскому королю Генриху V. В одной из битв удар меча пришелся прямо по камню, который украшал шлем короля.

Сейчас рубин «Черный принц» хранится как особая ценность английских королей.

«Вот рубин, он врачует сердце, мозг, силу и память человека...» – говорится в одном древнем манускрипте. Египтяне считали, что рубин обнаруживает яд, хранит от колдовства и излечивает головную боль. Китайские хироманты и до сих пор по рубину предсказывают будущее.

Самые большие месторождения рубина нашли в Бирме, Таиланде, Танзании и на Шри–Ланке, том самом острове, с которого человек в медном колпаке вынес красный продолговатый рубин стоимостью 7 тысяч динаров.

Из книги Энциклопедический словарь (Г-Д) автора Брокгауз Ф. А.

Из книги Практическое пособие по охоте за счастьем автора Ильин Андрей

Глава 39. Она же послесловие, в котором автор, отбросив присущее ему чувство скромности, начинает хвастаться, но не для того, чтобы ублажить свое самолюбие, а чтобы на примере своей жизни доказать действенность предложенной им методологии Да. Увы. Приходится.Потому что

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ГР) автора БСЭ

Из книги Большая Советская Энциклопедия (СИ) автора БСЭ

Из книги 100 великих загадок XX века автора Непомнящий Николай Николаевич

Из книги Новейшая книга фактов. Том 2 [Мифология. Религия] автора Кондрашов Анатолий Павлович

Из книги 100 великих рекордов авиации и космонавтики автора

Из книги Зарубежная литература древних эпох, средневековья и Возрождения автора Новиков Владимир Иванович

Как разведчик стал исследователем Что же касается шаров-шпионов, то для уничтожения их свыше 30 лет назад на Экспериментальном машиностроительном заводе в подмосковном Жуковском под руководством В. М. Мясищева началась разработка противостратостатного высотного

Из книги Невероятные приключения русских, или Азиатское притяжение автора Новикова Олеся

Убить собаку, чтобы образумить мужа (Госпожа Ян убивает собаку, чтобы образумить мужа) - Китайская классическая драма Эпоха Юань (ХIII-ХIVвв.) На день рождения купца Сунь Жуна должны прийти только два его задушевных друга, два прохвоста - Лю Лунцин и Ху Цзычжуань. Жена,

Из книги Я познаю мир. Авиация и воздухоплавание автора Зигуненко Станислав Николаевич

ГЛАВА 15. Путешествовать, чтобы есть или есть, чтобы путешествовать? Четыре месяца в пути. Таиланд, остров Пукет, в компании русских ребят-гидов ужинаем в местное кафе.- Что за блюдо ты заказала?- Это же Пад Тай Кунг - жареная лапша с креветками! Одно из самых популярных

Из книги Наркомафии [Производство и распространение наркотиков] автора Белов Николай Владимирович

Как истребитель стал бомбардировщиком Все самолеты, как правило, имеют каждый свою специальность. Пассажирские возят людей, грузовые - почту и различные грузы, сельскохозяйственные - ведут опрыскивание посевов с воздуха удобрениями и ядохимикатами...Еще больше

Из книги Дерзкая книга для девочек автора Фетисова Мария Сергеевна

Как я стал наркокурьером Профессия журналиста относится к довольно опасным, особенно если работать в горячих точках. Причем неприятности могут свалиться совершенно неожиданно. В свое время много шуму наделала история с задержанием российского журналиста Алексея

Из книги Я познаю мир. Драгоценные камни автора Орлова Н.

1. Как волк стал собакой Археологи находят типично собачьи кости на ископаемых стоянках первобытных людей давностью около 18–20 тысяч лет. На более древних стоянках собачьих костей нет, но есть, и в изобилии, кости волков. И не исключено, что это был уже сильно одомашненный

Из книги Я познаю мир. Оружие автора Зигуненко Станислав Николаевич

Чтобы графит стал алмазом Изучая свойства драгоценных камней, ученые пробовали нагревать их, чтобы проверить, как поведут они себя при высокой температуре. Почти все камни на глазах меняли свой цвет, и это было удивительно. Но больше всех драгоценных камней удивил

Из книги Мир вокруг нас автора Ситников Виталий Павлович

Как пистолет стал пулеметом Эта история явно заслуживает отдельного рассказа. В фильмах о Великой Отечественной войне можно часто увидеть, что красноармейцы вооружены автоматами ППШ с круглыми дисками (правильнее их называть пистолетами–пулеметами Шпагина), а

Из книги автора

Что общего между карандашом и алмазом? Кому-то этот вопрос может показаться странным. Все знают, что алмаз – это драгоценный камень, самый твердый из существующих на Земле минералов. А карандаш – самый обычный предмет, который мы можем выбросить, даже не исписав до конца.

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 эскспериментов по прямому превращению графит-алмаз, выполненных П. Де-Карлн и Дж. Джеймисоном из «Аллайд кемикл Корпорэйпш» , 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° С и давление порядка 300000 атм. В этих условиях в образце графита после опыта обнаруживалось некоторое количество алмаза, правда в виде очень мелких частичек. Полученные кристаллиты по размерам (100 А=10 нм, или одна стотысячная доля миллиметра) сопоставимы с «карбонадо», встречающимся в метеоритах, образование которых объясняется воздействием мощной ударной волны, 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° С. Ншревание осуществлялось импульсами электрического тока, а температура, необходимая для образования алмаза, сохранялась в течение нескольких миллисекунд (тысячных Долей секунды), т. е. 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. Обе серии экспериментов дали необходимые параметры для построения фазовой диаграммы углерода, графически показывающей области температур и давлений, при которых стабильны алмаз, графит и расплав.I

Интересные эксперименты были проведены Банди и Дж. Каспером , которые использовали монокристаллы графита вместо ттоликрн-сталлического материала. Кристаллы алмаза в их первых опытах имели обычную кубическую кристаллическую структуру. Еще Де-Карли и Джеймисон обратили внимание на то, что превращение в алмаз происходит легче, когда частички графита в образцах имеют удлинение вдоль так называемой оси с, т. е. перпендикулярно гексагональным слоям. Когда Банди и Каспер поместили монокристаллы таким образом, что давление прикладывалось вдоль оси с, и измерили электросопротивление кристаллов под давлением, то оказалось, что сопротивление увеличивается, когда достигается давление в 140 000 атм. Это связывали с переходом графита в алмаз, хотя при снятии давления происходило обратное превращение в графит. Однако, когда эта процедура сопровождалась нагревом образца до 900 "С и выше, образовывались кристаллиты новой фазы высокого давления, имеющие гексагональную структуру, а не обычную - кубическую. Гексагональный углерод также изредка находили в природных образцах, особенно в метеоритах. Он получил название лонсдеплит в честь Кэтлин Лонсдеил из Лондонского университета за ее большие заслуги в области кристаллографии, в частности в изучении алмаза.

В 1968 г. Г. Р. Коуэну. Б. В, Даннингтону и А. X. Хольцману нз компании «Дюпон де Немюр» был выдан патент на новый процесс, заключающийся в ударном сжатии металлических блоков, например железных отливок, содержащих небольшие включения графита применил принцип Де-Карли - Джеймисона для создания давления в 250 000-450 000 атм в течение 10-30 мкс, сопровождаемого разогревом после удара до 1100°С. Использовался графит в виде частичек диаметром 0,5-5 мкм, и получаемые алмазы имели те же размеры. Однако установлено, что эти частички образованы очень мелкими (от Ю-40 до 100-1600 А) кубическими алмазами. В настоящее время нет сведений о том. что продукция «Аллайд кемикл корпорэйшн» поступает в коммерческую торговлю. Способ, разработанный этой компанией, чтобы он мог успешно конкурировать с методом, использующим растноритель, и методом компании «Дюпон де Немюр», нуждается в дальнейшем совершенствовании. Потенциальное преимущество методов ударного сжатия в том, что взрыв-дешевый путь создания высоких давлений.

Тематические материалы: