Как это устроено: Искусственные алмазы

См. также № 1/2010

Искусственные алмазы. Неспециалисту практически невозможно отличить искусственный алмаз от природного. В 50-х гг. прошлого века была разработана технология выращивания искусственных алмазов путём осаждения атомов углерода на крошечные затравки натуральных или искусственных алмазиков при высоких давлении и температуре. Но кристаллы без дефектов получались только при тщательном контроле за градиентом температуры вдоль затравки, на которую один за другим осаждались бы только атомы углерода. Попадание атомов металла влекло за собой появление включений, которые легко обнаруживались под лупой ювелира. Чтобы вырастить ювелирный алмаз весом 1 карат (масса 0,2 г) требовалась неделя. Алмазы для промышленных целей выращивали быстрее, т. к. такая чистота не требовалась, а на твёрдость включения не влияют. Поликристаллические алмазные покрытия для инструментов наносят методом химического осаждения из газовой фазы. Всё ещё используется и оригинальный ленточный пресс, в котором затравка сдавливается между двумя поршнями. Русские физики придумали сферический пресс, позволяющий лучше следить за параметрами осаждения и получать качественные кристаллы. Однако технология не разглашалась. Фирма Gemesis пригласила русских химиков и надеется получать ювелирные алмазы тысячами в год. Развитие этой индустрии повлекло развитие и методов контроля. Например, был разработан спектрофотометр, который позволяет по спектру поглощения выявлять наличие кластеров атомов азота, характерных для натуральных камней и отсутствующих в искусственных. Разработаны также приборы на явлении фотолюминесценции в алмазе при его обучении лазером. Читатель должен ещё дважды подумать, прежде чем, преподнося своей любимой колечко на Валентинов день, сказать: «Дорогая, этот бриллиант символизирует мою любовь. Я купил его в магазине “Умелые руки”, что сразу за “Электроинструментами”».

• В гидравлическом прессе поршни сжимают маленькую капсулу с затравками алмаза до давления 55 000 атм (≈ 5,6 ГПа), а электрический ток разогревает её до 1400 °С.

• Алмазная пыль в капсуле постепенно растворяется в горячем железо-никелевом расплаве железа. Продиффундировав через него, атомы углерода осаждаются по одному на более холодных затравках внизу, так же, как пары воды осаждаются на холодных стенках бокала в виде капелек. В качестве затравок используется мельчайшая крошка натуральных или естественных камней. Алмаз в 1 карат выращивают примерно неделю. Если давление понизить, то получится не алмаз, а графит.

• Натуральные алмазы (слева) имеют октаэдрическую решётку, искусственные (справа) – кубическую. Разница хорошо заметна по флуоресценции при УФ-освещении.

• Спектрофотометр позволяет получать полный спектр поглощения алмаза и тем самым сравнивать камни одинаковых на вид цвета и чистоты. В натуральных камнях всегда присутствуют линии поглощения азота, а в искусственных камнях их нет.

Знаете ли вы, что?..

Самыми первыми искусственными ювелирными камнями были цирконаты (в России известны как фианиты. – Ред.). Однако они не считаются бриаллиантами, т. к. не содержат углерод. Получать их значительно проще, чем алмазы: пудру оксида циркония плавят при нормальном давлении и температуре 2400 °С вместе с оксидами магния и кальция и затем охлаждают.
Все натуральные алмазы содержат примеси, которые могут придавать окраску: азот даёт желтоватый цвет, бор – голубоватый. Примерно 1% камней из-за внутренний напряжений имеют коричневый оттенок. Если такие камни выдержать несколько минут под давлением 6 ГПа при температуре 2500 °С, то они становятся совершенно бесцветными и могут продаваться как качественные бриллианты. То, что куплено за несколько сотен долларов, продают за 10 000! Это, пожалуй, самый дешёвый способ получения бриллиантов.

Продолжение следует

Scientific American, 2003, February, p. 82–83.

Сокр. пер. с англ. Н.Д. Козловой