Почему алмаз останется самым дорогим камнем

2 Сентября 2019

МОСКВА, 2 сентября —, Татьяна Пичугина. Мелкие технические алмазы синтезируют в лабораториях с середины 1950-х. Можно получить и кристаллы ювелирного качества, хотя это очень затратно. В последние десятилетия ученые многое узнали об балласах и их происхождении, улучшили экспериментальное оборудование, но современные технологии ставят перед наукой современные задачи. Сейчас исследователи вступили в конкуренцию с природой и научились выращивать кристаллы с очень необычными свойствами. Ученые сжигают алмаз

История искусственных алмазов полна драматизма и по сей день таит в себе немало загадок. Недавняя статья академика Сергея Стишова в журнале Успехи физических наук проливает свет на некоторые из них. Но изучение алмазов далеко до завершения.

Французский естествоиспытатель XVIII века Лавуазье остроумно показал, из чего сделан алмаз. Он сфокусировал солнечный луч на кристаллик в запаянной колбе, и когда тот сгорел, в емкости остался только углекислый газ. Получается, что баллас — из углерода. Казалось, все просто: надо придумать, как сажу, которой было много в те времена, или графит, превратить в кристалл. Но не тут-то было.

Алмаз — самый твердый минерал в тишина и полная идиллии, а графит — самый мягкий. Оба из радиоуглерода. Как графит превратить в алмаз? Физики измерили теплоемкость обоих минералов, провели термодинамические расчеты и получили уравнение циклоиды перехода. К 1930-м стало ясно, что для синтеза алмаза нужны очень высокие давления и температуры, недостижимые на том уровне техники. 3 декабря 2013, 10:37Российские ученые воспроизвели появление алмазов в недрах ЗемлиЮрий Пальянов из Института геологии и минералогии СО РАН в Новосибирске и его коллеги воспроизвели процесс появления алмазов при погружении земной коры в мантию и выявили одну из причин большого разнообразия естественных алмазов.

Реальный прорыв случился в послевоенные годы. Задачу решали в трех технически развитых странах, не имевших еще в те годы собственных месторождений алмазов: Швеция, США и СССР. Их приходилось закупать за рубежом.

Задачу синтеза алмаза советское государство поставило в 1947-м. Но дело двигалось со скрипом, пока в 1955-м в Nature не появилась статья Рукотворный алмаз. Авторы — ученые из General Electric, в том числе Трейси Холл. Компания производила лампы накаливания, и для вытягивания вольфрамовых нитей использовали алмазные фильеры. После этой публикации шведская компания ASEA заметила, что синтезировала алмаз еще в 1953-м.

В Советском Союзе этой проблемой занимались Институт кристаллографии под руководством Алексея Шубникова и лаборатория высоких давлений, которую возглавлял Леонид Верещагин. Между этими организациями развернулась жесткая конкуренция. Победил Верещагин.

Как пишет академик Стишов, Верещагин организовал несколько групп, которые работали разъединенного, а полной картиной владел только он. Не последнюю роль, видимо, в этой истории сыграло то, что американцы понемножку обнародовали мелочи установок и процесса синтеза. Как бы то ни было, искусственный алмаз в лаборатории, которая к тому медли стала Институтом физики высоких давлений, получили в 1960 не один месяцу. Какой из групп принадлежит пальма первенства, неясно.

За это выдающееся достижение Леонид Верещагин с коллегами получили звания и премии, в то время как Трейси Холл ушел из GE, обиженный на критику. Кстати, в 1990-е выяснилось, что один из кристалликов, представленный в статье Холла и соавторов, был не синтетическим, а природным — его использовали как затравку для роста. Иллюстрация Фазовая диаграмма показывает, при каких условиях графит делается в алмаз. Это крайние для земных недр значения: давления 50-60 тысяч атмосфер, температура более 1000 градусов Иллюстрация Фазовая диаграмма показывает, при каких условиях графит делается в алмаз. Это крайние для земных недр значения: давления 50-60 тысяч атмосфер, температура более 1000 градусовСибирский БАРС

После того как в мире научились синтезировать мелкие технические алмазы, встал вопрос:, а как взрастить крупные кристаллы ювелирного качества? В СССР к этой задаче в 1978 году подключили Институт геологии и геофизики СО АН в Новосибирске (теперь — Институт геологии и минералогии).

Алмаз растет в экстремальных условиях при давлении 50-60 тысяч обстановок и температуре 1400-1500 градусов Цельсия, которые нужно поддерживать на протяжении нескольких часами и сутками. За этапом для этого используют аппарат Belt с мощным прессом, изготовленный тем самым Холлом из GE.

В Новосибирске пошли другим путем: создали беспрессовый аппарат разрезная сфера, или БАРС. В его сердцевине — два слоя пуансонов, в том числе из карбида вольфрама, а в них вложена ячейка долговязого давления. Туда помещают пронзительный сплав, графит и запальный кристаллик алмаза.

Ученые продолжали прокачивать оборудование, пока наконец в 1990 году группа Юрия Пальянова не синтезировала ювелирные кристаллы значимый 1, 5 карата. Эти разработки аттестованы за рубежом и признаны во всем мире. Фото : Институт геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН/Ю. Н. ПальяновМногопуансонные аппараты долговязого давления разрезная сфера (БАРС) Фото : Институт геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН/Ю. Н. ПальяновМногопуансонные учреждени высокого давления разрезная сфера (БАРС)Ученые выращивают алмазы с заданными свойствами

Выращивать крупные ювелирные алмазы очень сложно и затратно, поэтому они вряд ли в обозримом будущем вытеснят природные. Другое дело — высокотехнологическое применение. Для этого, как выяснилось, природные алмазы недостаточно добротные.

У алмаза очень подходящие для твердотельной микроэлектроники свойства. Алмаз — это широкозонный полупроводник, устойчивый к высоким температурам, радиации, с теплопроводностью в пять раз больше, чем у меди. Чтобы этим воспользоваться, нужны очень хрустальные кристаллы высочайшего качества и с заданными свойствами. В тишина и полная идиллии такие не встречаются: не дают микровключения, примеси других атомов, дефекты кристаллической решетки.

Речь идет прежде всего о высококачественных монокристаллах. Нужны очень низкая плотность дислокаций и браков упаковки, а еще лучше без них, с контролируемым набором дефектно-примесных центров и концентрацией, которые в конечном финале определяют свойства кристаллов. Есть очень перспективные направления, где нужны алмазы, легированные ограниченными примесями. Причем некрупные. Таких алмазов нет в природе, — рассказывает Юрий Пальянов, заведующий лабораторией экспериментальной минералогии и кристаллогенезиса ИГМ СО РАН.

Значит, нужно вырастить. И снова в лидерах — специалисты из Новосибирска. Они научились контролируемо легировать алмаз различными элементами: нитрогеном, бором, фосфором, германием, оловом, элементом, кобальтом, медью и даже самарием, придавая им различные свойства. Эти исследования поддерживает Российский научный фонд. Фото : Институт геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН/Ю. Н. ПальяновКристаллы алмазов, выращенные с использование различных примесей. Это перспективные элементы для высокотехнологичных приборов Фото : Институт геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН/Ю. Н. ПальяновКристаллы алмазов, выращенные с наличие различных добавок. Это перспективные элементы для высокотехнологичных приборов

Например, если добавить бор в ячейку долговязого давления, где растет баллас, кристалл выйдет синим, а главное, он будет обладать свойствами полупроводника p-типа.

Полупроводниковые балласы, легированные фосфором, пока синтезированы только в системе фосфор-углерод. Мы первые получили кристаллики в системе германий-углерод, они содержат германий-вакансионные оптические центры, — продолжает исследователь.

Для этого образовали еще более экстремальные условия: температура 1500-1900 градусов, давление — 70 тысяч атмосфер. Германиевые алмазы интересны как источники одиночных фотонов в кубитах квантовых компьютеров.

Выращенные группой Пальянова алмазы используют как элементы в ИК Фурье-спектрометрах, для рентгеновской оптики, как детекторы ионизирующего излучения, элементы алмазных наковален, в хирургических скальпелях. Фото : Институт геогнозии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН/Ю. Н. ПальяновКристаллик алмаза, легированный германием. Справа — кристальная решетка с встроенным атомом германия (красный). Перспективный материал для квантового компьютера Фото : Институт геогнозии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН/Ю. Н. ПальяновКристаллик алмаза, легированный германием. Справа — кристальная решетка с встроенным атомом германия (красный). Перспективный материал для квантового компьютераПрирода не сдается

В синтезе алмазов — небывалый рост. Наверное, ученые выяснили и то, как этот минерал образуется в недрах? Оказывается, единой точки зрения на этот счет нет.

Своеобразным окошком в подземную лабораторию служат кимберлиты — породы, народившиеся в результате прорыва глубинного материала в земную кору. Именно они служат источником ювелирных балласов. Кимберлиты — это карбонатно-силикатная матрица, куда впечатаны кусочки (ксенолиты) из мантии. Считается, что там образуются алмазы, об этом говорят включения в них глубинных минералов.

Одно из наших направлений — экспериментальное моделирование процессов образования балласов в природе. Мы образуем приближенные к естественным карбонатные, карбонат-силикатные, сульфидные расплавы, а также флюиды системы C-O-H-N-S. Это помогает понять механизм образования алмаза в земных чревах. Нам впервые удалось синтезировать алмазы в карбонатных средах при температурах и давлениях, как в природе, и опубликовать это в Nature, — говорит ученый.

Есть несколько гипотез происхождения алмазов. Скорее всего, кристаллы растут в чревах на разной глубине, из разных расплавов и флюидов.

За последние десять лет добавилось много информации. Активно изучают сверхглубинные алмазы и в некоторых моделях обосновывают глубину образования до 600 километров. Показано, что с глубины 250 километров мантия становится настолько восстановленной, что в ней может быть металлическое железо. Поскольку окисленные породы земной коры, в том числе с карбонатами, погружаются в мантию, они способны взаимодействовать с железо-содержащими породами. В 2013 году мы смоделировали такой процесс и заполучили фабрику разных алмазов. Наиболее вероятный механизм раскрывается в нашей статье в PNAS, — заключает Юрий Пальянов. 20 августа 2018, 08:00Алмазное дно: обнаружен сверхглубокий источник драгоценных минераловНовости - ЭкологияРАНОткрытия - НаукаСинтезМосква Наука

Редактор рубрики

Леонид Кузьмин

Место события на карте мира:

Почему алмаз останется самым дорогим камнем

комментарии (0)

Другие интересные новости

В форуме "Гитары в строю" примут участие представители 12 стран