Алмазы искусственные как получить оборудование. Финансовая сторона вопроса. Что такое алмаз
В этой статье:
Начали делать не так давно. Этот процесс не является таким уж лёгким, а требует серьезных затрат. Применение такого искусственного кристалла не ограничивается только ювелирным делом, алмазы очень нужны в технике. Например, из них изготавливают специальный режущий инструмент. Для того чтобы понять, что собой представляют искусственные алмазы, нужно для начала разобраться, что такое настоящий алмаз.
Алмаз - самый твердый минерал в мире
Прежде всего, то, что мы видим в ювелирном магазине - это бриллиант. Бриллиант - это алмаз, который прошел специальную предварительную обработку ювелирами. C точки зрения химии, он представляет собой углерод кубической формы и строения кристаллов. Что интересно, углерод в зависимости от того, как построена структура, может выступать в виде многих веществ, которые имеют разные свойства и применение.
Искусственные алмазы
Например, всем известно, что сейчас в мире переходят на нанотехнологии. Нанотехнологиями называют такие технологии, суть которых построена на объектах очень малой величины - тысячных долях микрона. Одними из таких объектов являются нанотрубки. Так вот, наименьшие нанотрубки, а именно, самого маленького диаметра, также являются формой углерода. Дело в том, что один атом вещества может объединяться с пятью другими, что и так представляет собой компактную структуру. Среди атомов, которые обладают такими возможностями, имеет самую маленькую массу, а соответственно и радиус атома.
Если атомы углерода объединяются во что-то похожее на мяч для футбола - это называться фуллеренами. Фуллерены и нанотрубки, а также монослой углерода - графен, за получение которого недавно вручили Нобелевскую премию, в будущем, скорее всего, будут очень широко использоваться в технике. Они интересны своими сверхпрочными свойствами, а также проводимостью, низким сопротивлением и размерами. Наибольшая ценность нанотрубок - выступать как проводниками, так и полупроводниками, в зависимости от того, как ориентированы атомы между собой. За этим будущее электроники.
До сих пор ученые не пришли к однозначному выводу о том, . Основная версия говорит о том, что кристаллы формируются глубоко в Земле (более чем в 200 километрах) под большим давлением и огромной температурой. А потом уже магма их выбрасывает на поверхность. Существует также версия, что алмаз представляет собой внеземную структуру и прилетает на Землю вместе с метеоритами. Еще одна версия тоже говорит о космическом происхождении: якобы бриллианты формируются при падении метеорита, когда создается высокое давление.
Камни очень редкие и красивые. Ценятся они не только за красоту, но и за то, что обладают уникальными свойствами:
- алмаз имеет самую высокую твердость среди минералов;
- температура его плавления доходит до 4000 градусов;
- теплопроводность самая высокая среди всех известных твердых тел;
- он относится к диэлектрикам;
- имеет уникальное преломление света, под действием различных лучей может начать светиться;
- не растворяется в кислоте.
История получения минералов
В 1797 году было открыто, что алмаз состоит из чистого углерода. С тех пор начались попытки повторить процесс в условиях лаборатории. Наиболее успешными стали работы Ханней и Муассана, в 1893 году они нагревали их до температуры 3000 градусов Цельсия с высокой скоростью нагрева и добавлением железа. В отличие от Ханнея, который использовал трубку для нагрева, Муассан использовал электродуговую печь со стержнями углерода, располагавшимися внутри блоков извести.
Расплавленное железо после нагрева быстро охлаждали водой. Все это делали для того, чтобы обеспечить высокое давление. Подобные эксперименты повторялись и в дальнейшем. Например, в 1909 году успеха достиг Крукс и через несколько лет об этом заявил. Однако позже такое заявление было опровергнуто.
Первый официальный искусственный алмаз был создан в 1926 году. Для его создания были объединены все методы, которые перечислены выше. Сейчас этот образец до сих пор хранится в музее в Соединенных Штатах Америки.
Но это еще был не тот образец, который можно было бы поставить на серийное производство. Наибольший вклад в создание и разработку методов получения бриллиантов вложил Сэр Чарльз Алджернон Парсонс - именно он на протяжении 40 лет пытался повторить самые первые опыты Ханнея и Муассана. Он был очень кропотливым и сохранил полученные образцы для дальнейших исследований. Позже заявил, что всё, что было создано до этого, не является искусственным бриллиантом.
В 1941 году к разработке методики получения алмазов присоединяется компания General electrics. У них получилось нагреть углерод до 3000 градусов и получить давление 5 ГПа. Однако им помешала Вторая мировая война, и только через 10 лет они возобновили работы по проекту. Во время этих разработок использовались наковальни из карбида вольфрама в гидравлическом прессе. Однако все условия синтеза были настолько неопределёнными, что эксперименты повторять не удавалось.
В 1954 году был создан первый искусственный алмаз, который годился для коммерческого синтеза. Однако он был очень маленького диаметра, всего доли миллиметра, поэтому не мог быть использован в украшениях, зато хорошо подходил для промышленности. Описание работы по его созданию было опубликовано в самом престижном научном журнале Nature.
С 1953 года компания ASEA - производитель электроники из Швеции - тоже начала заниматься независимым синтезом алмазов. Работа шла, используя громоздкий аппарат, который поддерживал давление на уровне 8,4 ГПа на протяжении часа. Но им тоже удалось получить экземпляры только маленького размера.
В Корее в восьмидесятых годах появился конкурент по созданию алмазов - компания «Ильин Алмаз». Она заполучила коммерческую тайну от General Electric и смогла синтезировать синтетические алмазы в 1988 году. После этого вышел и Китай на рынок с огромным количеством предприятий.
Как сегодня выращивают алмазы?
В промышленном производстве сейчас более широко используется технология выращивания кристаллов при высоких давлениях и температурах, называемая HPHT, а также технологии CVD. Менее употребляемыми методиками считаются синтез монокристаллов алмаза при взрыве и метод получения микронных алмазов из суспензии частиц графита в органических растворителях под действием ультразвука.
Технология HPHT включает в себя получение алмазов при температуре 1500 градусов и давлении 50 атмосфер. Установка, которая представляет собой гидравлический пресс, сжимает специальный контейнер, внутри которого находится металлический расплав и графит. В качестве расплава используется железо, никель кобальт или другие металлы. На подложке размещаются затравки - небольшие кристаллы алмаза. Сквозь камеру проходит ток, который нагревает расплав до нужной температуры. В таком случае металл служит растворителем или катализатором кристаллизации.
Кристаллы выращиваются на заправке в форме алмаза. Процесс выращивания более-менее крупного или нескольких мелких кристаллов длиться в среднем около 12 суток. Сейчас производство искусственных алмазов доходит до выпуска миллиардов каратов в год. В 1970, используя эту технологию, впервые научились добывать камни маленького веса и качества.
С 1960-х годов начали разработку более дешевой технологии получения алмазов CVD, что означает Chemical Vapor deposition, которая представляет себя осаждение из фазы газа.
Синтез проходит при осаждении углерода на подложку в среде из водородного газа, который ионизируется с помощью излучения и высоких температур. При осаждении поликристаллический алмаз (кремний) получает пластины, имеющие ограниченное применение в электронике и оптике.
Скорости роста абсолютно разные, которые могут достигать и 100 микрометров в час. Толщина пластин обычно ограничена 2-3 миллиметрами, поэтому полученные алмазы можно использовать в качестве ювелирных, но не превышающих 1 карата. Возможности этого момента начали популяризоваться в 2000-х и привлекли внимание как стартапов, так и больших корпораций, что дало сильный толчок к развитию метода.
Потенциал HPHT в последнее время был сильно недооценен, и все внимание и ресурсы были сосредоточены на совершенствовании метода химического осаждения. Эта технология, как казалось, была неприменима для выращивания кристаллов большого размера и высокого качества. Но в последнее время технологии совершенствуются и получаются искусственные алмазы такого качества и размера, какими раньше могли быть только натуральные.
Которые чаще всего имеют прозрачные цвета, заключается еще в том, что синтетические обладают легким оттенком. Азот, который рассеивается в структуре решетки во время роста алмаза, поглощает голубой цвет, в результате чего синтетический алмаз приобретает желтоватый оттенок.
Другие заменители бриллиантов
Помимо искусственных бриллиантов, широко используются их заменители, которые вошли в ювелирную промышленность в семидесятых годах прошлого века. Сначала Физический институт Академии Наук получил фианиты, которые представляли собой . Это, так сказать, стекляшка среди алмазов. Позже появились такие , как хрусталь, циркон, белый сапфир. Особенной популярностью пользовались такие камни в изготовлении перстней в викторианском стиле.
Также появился такой заменитель бриллиантов, как нексус, который представляет собой соединения углерода с другими веществами и отличается прочностью и твердостью.
Для изготовления фианитов используется диоксид циркония. Он считается наименее прочными из всех заменителей бриллиантов, а соответственно, и самым дешевым. Муассанит, который синтезируется из карбида кремния и является самым прочным из всех камней, похожих на бриллианты, и обладает такими внешними характеристиками, что его даже сложно отличить от настоящего камня. Отличие всех искусственных камней от натуральных, которое можно заметить невооруженным глазом - это стоимость, для остальных отличий необходимо оборудование и опыт.
Однако иногда синтетические бриллианты по цене не уступают натуральным, потому что огромные затраты расходуются на их производство. Основное отличие искусственного бриллианта от натурального в том, что в натуральных бриллиантах присутствуют неоднородности и включения, которые отсутствуют у искусственно полученных минералов.
Приобрести украшения из синтетического бриллианта можно, и это будет значительная экономия по сравнению с натуральным. Если вы хотите купить украшение максимально недорого, то отдавайте предпочтение фианитам. Их сияние не уступает натуральному бриллианту, но у него немного хуже характеристики прочности и твердости, что влияет на эксплуатационные свойства. Муассанит обладает наиболее ярким блеском, что в некотором роде создает эффект дискотеки. Фианит не обладает таким сиянием, как алмаз искусственный или муассанит, но лучше отбрасывает блики.
Муассаниты практически не поддаются внешнему воздействию, а вот фианиты со временем царапаются и впитывают масло. Кроме того, если за ними не ухаживать, на поверхности камня скапливаются царапины, он становится мутным.
Таким образом, технология получения бриллиантов до сих пор находится в стадии разработки. В отличие от рубинов и сапфиров, получить бриллиант любого размера или качества невозможно, и часто он может быть дороже оригинального, так как затрачивается огромное количество времени и ресурсов.
Попытки создать лабораторный алмаз велись с 1950-х годов, но настоящая революция происходит прямо на наших глазах. За последнее время заметно усовершенствовались две основные технологии: создание алмазов в условиях высочайшей температуры и давления (HPHT) и химическое осаждение из газовой фазы (CVD), когда плазма из атомов углерода, из которой атомы слой за слоем конденсируются на подложку, образуя алмаз. Технология HPHT уже позволяет получать алмазы размером в 5 карат. С 2003 года технология CVD прошла путь от создания совсем малых алмазов в 0,3 карата до полностью прозрачных камней размером в 3 карата с очень хорошими оптическими свойствами. Алмазы, созданные по CVD-технологии, практически не имеют посторонних примесей, таких как азот или бор, что дает им преимущества даже перед природными алмазами как для промышленного, так и ювелирного применения.
Вместе с улучшением качества и размеров лабораторных алмазов в последние годы в гонку вступили стартапы из Долины с многомиллионными инвестициями в маркетинг и селебрити в числе акционеров. Они оказались способны вложить огромные средства для того, чтобы пошатнуть положение продавцов природных алмазов. Аналитики прогнозируют ежегодный рост рынка выращенных в лаборатории алмазов примерно в 7,4%, с $16,2 млрд в 2015 году до $27,6 млрд к 2023 году.
Все реже СМИ называют синтетические алмазы фальшивками , а отрасли природных алмазов приходится выпускать все более совершенные устройства для выявления искусственно выращенных камней: DiamondCheck, DiamondSure и DiamondView. Однако даже самые современные сканеры GIA не всегда могут отличить искусственно созданные камни от природных.
Пока искусственно выращенные алмазы занимают 1-2% рынка, но в будущем их доля может существенно увеличиться по прогнозам экспертов , вплоть до доминирующей. При этом уже сегодня более 95% используемых в промышленности алмазов выращены в лаборатории (остальные продаются для использования в ювелирных изделиях).
Чем различаются природные и синтетические алмазы?
Одно из существенных отличий природных алмазов - дефекты кристаллической решетки, которые придают камням окраску. Например, желтый - последствие вкраплений атомов азота, коричневый и розовый оттенок камня - последствия искривления кристаллической решетки. При этом, управляя процессом создания, в искусственных алмазах можно добиться кристаллической решетки, близкой к идеальной, а чистота содержания углерода в них может доходить до 99,999%.
Но если параметры чистоты особенно важны для B2B-применения алмазов, то для ювелирных камней едва ли чистоту камня можно назвать решающим фактором. Скорее тут ключевая роль остается за ценой и маркетингом.
Когда искусственный алмаз поставят на полки ювелирных магазинов?
Для увеличения доли синтетических алмазов на ювелирном рынке есть несколько препятствий. Многие мировые ювелирные дома не понимают, что искусственно выращенный алмаз можно продавать как самостоятельный продукт. Вместо этого они продают их под видом природных. Часто в этом виноваты даже не продавцы.
Недобросовестные дилеры покупают искусственные алмазы с целью «подмешивать» выращенные в лаборатории камни к настоящим. В случае размера алмаза до 0,3 карата отличить выращенный в лаборатории камень от природного очень трудно, и этим они и пользуются.
Чтобы избежать подлога, крупные сети (Tiffany, Cartier и другие) строго отслеживают всю цепочку поставки, от добычи камня до инкрустации.
Полагаю, одна из причин, почему продавцы не готовы поставить на полку искусственные камни рядом с природными, - нежелание создавать рынок с нуля. Эту задачу на себя взяли такие стартапы, как Diamond Foundry или Ada Diamonds. Они вкладывают миллионы долларов в маркетинг и привлекают звезд первой величины, чтобы показать рынку, что искусственный алмаз можно ставить на полки рядом с природным. Идея производителей лабораторных алмазов в том, чтобы вместо прямой конкуренции с алмазодобывающей индустрией создать новый рынок. Если ювелирные сети станут четко различать синтетические камни и природные, то у покупателя появляется выбор: купить натуральный камень дороже или синтетический - дешевле. Разница в цене будет платой за эмоциональную составляющую.
Два разных рынка и продукта
Важно понимать, что появление на рынке двух типов камней - искусственного и природного - нацелено на два принципиально разных рынка. С разной аудиторией и разным позиционированием и маркетингом.
В традиционную отрасль добычи и обработки алмаза вложена вековая история и совсем иные маркетинговые месседжи. Кажется невероятным, но позиционирование бриллианта как безусловного атрибута роскоши стало планомерной работой все тех же алмазодобывающих компаний. Еще в 50-е годы прошлого века De Beers стала проводить маркетинговую политику по созданию единого позиционирования для бриллианта: бриллиант - это незаменимый атрибут понятия «любовь», бриллиант - это «навсегда». Достаточно вспомнить седьмой фильм о Джеймсе Бонде, который так и назывался «Бриллианты навсегда» (слоган De Beers). У искусственных камней иная философия и ценности, которые приходится создавать с чистого листа.
Чтобы противостоять маркетинговой машине алмазодобытчиков, Diamond Foundry бьет в одну из главных «болевых точек» алмазодобытчиков: с подачи одного из акционеров компании, актера Леонардо Ди Каприо, они рассказывают о проблемах незаконной добычи алмазов в неблагополучных регионах мира (Сьерра-Леоне, Ангола, Конго). И указывают на неэтичность самого процесса добычи алмазов.
Главное препятствие к массовому появлению таких компаний, как Diamond Foundry, - высокий порог входа на рынок. По нашим оценкам, в одну из первых российских компаний, вышедших на мировой рынок, NDT (New Diamond Technologies, создают алмазы на базе HPHT-метода) вложили не менее $60 млн. Суммарные инвестиции в Diamond Foundry (комбинируют CVD- и HPHT-технологии при создании алмазов) - около $100 млн . Даже запуск исследовательского центра для компании, работающей на CVD-технологиях, мы оцениваем более чем в $15 млн.
Из-за высокого объема инвестиций в R&D технологией производства синтетических алмазов по факту владеет всего около десятка компаний во всем мире. Все они расположены в США, Сингапуре, Китае и России. Вход на рынок искусственных алмазов дорогой и сложный, зато это один из тех многомиллиардных рынков, где у российских лабораторий и производств есть шанс заполучить весомую долю.
На сегодняшний день существует множество различных технологий получения кристаллов алмаза , для самых разнообразных целей применения, различной величины, окраски и прочности.
Алмаз есть не что иное, как чистый углерод с особой кристаллической решеткой.
Другим представителем чистого углерода на Земле является древесный уголь, графит.
Характеристика углерода:
Атомный вес углерода 12.011;
Порядковый номер в периодической системе Менделеева 6;
Количество электронов 6;
основная валентность 4;
При нормальном атмосферном давлении в жидкость не переходит;
При нагревании при нормальном давлении до температуры 3670 0 С, углерод;
переходит в газ, минуя жидкое состояние.
Характеристика алмаза:
Плотность 3.5 гр. см 2 ;
Преломление света 2,42 (Стекло 1, 8);
Твердость 2 000 000 усл. ед. (Сталь 30 000, стекло 40 000 относительно талька у которого твердость =1);
Температура перехода в графит в открытом воздухе - 1200 0 С;
Температура возгорания в среде чистого кислорода 740 0 С;
Единицы измерения алмазов - карат. Один карат равен 0.2 грамма. Алмаз, размерами 1 x 1 см = 17,5 каратов;
В алмазе каждый атом углерода соединен с 4 другими атомами углерода и расстояние между ними строго одинаково = 1,54 ангстрем. Расположены атомы углерода в алмазе по углам правильного тетраэдра атомной кристаллической решетки.
Температура испарения углерода составляет 3670 0 С (диаграмма 1) критическая точка (Z) (температура 3670 0 С. давление -120 атм.) называется первой точкой тройного состояния.
В этой точке возможны переходы углерода в твердое, газообразное или жидкое состояние.
При повышении давления и температуры, получаем вторую тройную точку (D), в которой возможны состояние углерода в виде кристаллов (алмаз ), в виде жидкости и аморфном состоянии (графит).
Наилучший результат получения алмазов при переходе из жидкого состояния углерода в кристаллическое - снижение температуры, но по возможности, оставляя очень высокое давление. Огромное значение в технологии производства алмазов играют временные характеристики процесса.
Как было ранее отмечено, углерода в жидком состоянии при нормальных условиях (760 мм рт. столба и 20 0 С) не существует. Углерод в жидком состоянии возможен и существует только при давлении свыше 120 атм. и 3740 0 С. (диаграмма 1 ).
Из физических свойств алмаза следует отметить температуру возгорания в среде кислорода которая равна 670 0 С, в основном алмаз сгорает без остатка.
При нагревании алмаза свыше 1200 0 С без воздуха начинается процесс графитизации алмаза , это и происходит при неправильной технологии процесса производства алмазов .
Способы получения искусственных кристаллов алмаза
Первым способом получения искусственных алмазов является метод приближенный к естественному возникновению природных алмазов , это сочетание очень высокого давления и высокой температуры.
Первый способ самый надежный, но и самый технологически сложный
Ниже приводится одна из лабораторных установок по получению кристаллов алмаза максимально приближенной к предполагаемой природной схеме возникновения алмазов в земной толще - мощное давление, высокая температура.
Приложение 1.
 |
 |
Лабораторная установка по получению искусственных алмазов представляет собой пресс высокого давления. В корпус пресса вставляется рабочий цилиндр.
В этом цилиндре предусмотрены сверления для циркуляции хладагента, и отверстия для подачи воды под давлением. В этот корпус вставляется камера, выполненная из карбида тантала в которой размещают заготовку - графит который должен превратится в алмаз .
Предусмотрен подвод медных шин для подачи электрического тока к рабочей камере.
Технология получения алмаза происходит в несколько этапов.
Вначале, после установки цилиндра в пресс высокого давления, подается вода и происходит процесс предварительного сжатия графита давлением воды, примерно до 2-3 тысячи атмосфер. Вторым этапом подается хладоагент и замораживается вода до температуры минус 12 градусов Цельсия.
При этом происходит дополнительное сжатие графита до 20 тысяч атмосфер за счет расширения льда.
На следующем этапе подается мощный импульс электрического тока продолжительностью 0.3 секунды.
На заключительном этапе размораживают лед и вынимают алмазы .
Полученные подобным образом алмазы в основном грязного цвета, имеют пористую структуру, форма кристаллов тетраэдрическая.
В большинстве своем прочнее естественных алмазов и в основном служат для технических целей.
Второй способ
Вторым способом, возможно технологически простым, но сложным по применяемой аппаратуре является способ наращивания кристаллов алмаза в среде метана (СН 4).
При этом методе кристалл алмаза нагревают до температуры 1111 0 С. и обдувают метаном. Давление в рабочей камере может быть небольшим, порядка 0,1 технической атмосферы. Это давление в основном служит для препятствия проникновения в камеру атмосферного кислорода.
Необходимо помнить, что начиная с 1200 0 С алмаз начинает свой переход в состояние графита (без доступа кмслорода).
Процесс наращивания кристалла алмаза происходит на раскаленной поверхности алмаза путем добавления атомов углерода в существующую кристаллическую решетку затравочного кристалла алмаза. Количество выделенного углерода (алмаза) 0.2 % от поверхности затравочного кристалла за один час.
Форма кристаллов получаемая подобным способом кубическая, в отличии от природной тетраэдрической, цвет черный, прочность сопоставима с естественными алмазами. По своей сути это чистый карбид, но называется алмазом в связи с очень высокой твердостью полученных кристаллов, и в связи с тем, что в качестве затравочного кристалла используют настоящие алмазы.
Третьим способом получения алмазов является метод взрыва
При этом способе получают очень мелкую алмазную пыль для производства заточных камней, абразивов. Применяют или взрыв «обычного» взрывчатого вещества, или взрыв проволоки большим импульсом тока.
Для получения плотной детонационной волны необходима мембрана которая рвется со скоростью звука в том металле из которого изготовлена мембрана (для железа это - 5000 м/сек.).
«Подогретый» графит, находящийся на так называемой "сковородке" в момент прохождения детонационной волны превращается в кристаллы алмаза .
Этот способ дает выход продукции намного больше в процентном отношении от количества графита, чем способ высокого давления.
Кристаллы получаются бесцветные, чистейшей воды, прозрачные, но очень мелкие (30 - 50 мкрн.). Форма кристаллов тетраэдрическая прочность сопоставима с природными алмазами .
Сущность данного способа получения алмазов , методом взрыва, заключается в том, что при подрыве взрывчатого вещества в замкнутом пространстве, детонационная волна при ударе с препятствием на пограничном слое, ударная волна - препятствие, создает одновременно и высокое давление и высокую температуру. Давление может достигать свыше 300 000 атм, температура десятки тысяч градусов. К сожалению (или к счастью) все это по времени укладывается в миллионные доли секунды и размеры (толщина) детонационной волны не превышает 10-30 микрон.
В момент разрыва мембраны ударная волна приобретает «плотность» и своего рода такое качество как - гомогенность.
Некоторые кристаллики алмазов получаемые подобным способом могут иметь в диаметре до 50 мк. Большое значение в данном способе имеет положка на которой расположен подогретый графит и толщина рабочего слоя.
Интересны эксперименты по «вторичному» прессованию полученных алмазов тем же способом взрыва, по принципу порошковой металлургии. В данном случае, в алмазном производстве , можно получить кристаллы различного размера и веса из алмазного порошка. В подавляющем большинстве кристаллы мутного цвета. Отмечается хрупкость полученных вторичных кристаллов алмаза . Прочность намного ниже естественных, при обработки возможны «сюрпризы». В данном случае жадность может сгубить идею в самом прямом смысле этого понимания. Толщину графита не рекомендуется превышать 60 микрон .
В четвертом способе получения алмазов применяют катализаторы
Применение катализаторов в алмазном производстве значительно помогает сократить величину давления и температуру. Кристаллы алмаза образуются в разделительном слое между раскаленным графитом и пленкой металла катализатора. При соответствующих подборах технологий можно получать до 50 граммов технических алмазов за один технологический цикл.
Как видим, из диаграммы 3 , приложение 3
Возникающие на границе перехода графит - катализатор, кристаллы алмаза
продолжают свой рост при неизменных условий в рабочей камере до тех пор пока пленка из металла катализатора продолжает соединяться с графитом.
Приложение 3
Рост кристаллов продолжается и в самом легирующем металле за счет проникновения атомов углерода через тонкую пленку металла.
Искусственные алмазы полученные подобным способом представляют собой очень мелкие кристаллы (30 -200 микрон ).
Полученные при низких температурах кристаллы алмазов имеют квадратную форму строения кристаллов, черного цвета, по прочности равны или превосходят естественные.
Кристаллы полученные при высоких температурах и больших давлениях имеют октаэдрическую форму, цвет различен - желтый, синий, зеленый, белый, прозрачные и непрозрачные кристаллы. По прочности равны или превосходят естественные алмазы. Влияние катализаторов на цвет очевидно. Примесь никеля в кристаллах алмаза придает алмазу зеленоватые тона, присадки бериллия придают алмазам синие тона расцветки.
Следует отметить, что по твердости нет в мире элемента тверже алмаза , хотя по другим свойствам он может уступать некоторым искусственным элементам. В таблице приведены элементы которые могут дать более полное представление о некоторых свойствах алмаза в сравнении c другими земными элементами.
Словосочетание «белорусские бриллианты» для нашего уха звучит так же, как и «белорусские креветки». Но не торопитесь с шутками. Мало кто знает, что в девяностые в Беларуси построили один из первых в мире заводов по синтезу алмазов, что за белорусскими учеными из этой сферы готовы гоняться мировые промгиганты, а качество кристаллов оценили на международном уровне.
Первый в мире синтезированный алмаз получила компания General Electric еще в 1950-х годах при помощи специального пресса. Небольшой грязный камешек по свойствам ничем не отличался от природных алмазов. Была только одна загвоздка: денег на его синтез нужно было гораздо больше, чем при добыче в природе. На это дело махнули рукой и до 1980-х годов про выращивание алмазов благополучно забыли.
Одни из первых попыток получить алмазы с помощью электродуговой печи. В конце 1980-х ученые из Новосибирского отделения Российской академии наук создали беспрессовый аппарат «разрезная сфера» (БАРС), при помощи которого впервые в мире получили синтезированный алмаз, готовый конкурировать с природным не только по качеству, но и по себестоимости. У первых синтезированных новосибирских алмазов она была значительно ниже.
Отставной генерал, семеро ученых и $5 млн
После удачной апробации в 1990-х семеро известных советских ученых (двое из них — белорусы) загорелись идеей создать первый в мире завод по синтезу алмазов. Площадкой благодаря хорошему географическому положению выбрали Беларусь.
Ученые стали учредителями компании «Адамас». Они взяли в «Промстройбанке» СССР кредит на 51 млн советских рублей и начали
строительство в деревне Атолино, что под Минском.
Аппараты БАРС.
Завод должен был быть довольно крупным: трехэтажное здание, 220 работников. Но денег не хватало, поэтому позже в состав учредителей вошли тогдашний «Белпромстройбанк», который выделил предприятию кредитную линию в $5 млн, а также двое известных в советские времена бизнесменов, внесших еще $2,5 млн.
Инвесторы успели только завершить здание, поставить 120 аппаратов БАРС и немного отработать технологию, как тут у бизнесменов-учредителей начались проблемы — они оставили завод без денег.
Неожиданно четверых ученых переманивает в США генерал в отставке Картер Кларк. Оказывается, в 1995 году он за $60 тыс. купил технологию производства синтезированных алмазов и основал компанию Gemesis Diamond. К слову, все было оформлено официально, так как России на то время остро нужны были деньги и она распродавала свои научные разработки.
Ученые оставили «Адамас» и уехали к Кларку.
Один из крупнейших производителей синтезированных алмазов в мире.
Оказавшись в тяжелом положении, учредители пытались вернуть кредитные
деньги банку, но тщетно. В 1999 году в отношении руководства «Адамаса»
возбудили уголовное дело. Разбирательство шло пять лет, сумму ущерба
оценили в $7 млн. Бизнесмены и юрист уехали за границу. Однако четверых
все же посадили.
После выхода на свободу никто из прежних руководителей «Адамаса» в
Атолино не вернулся. Уехали в Санкт-Петербург и Москву и оставшиеся трое
ученых, а с ними — и технология синтеза алмазов.
Первые синтетические бриллианты.
Так в мире появилось три крупнейших центра синтезированных алмазов:
Москва, Питер и американский штат Флорида. Есть еще несколько мелких
компаний, но говорят, что все ниточки ведут все к тем же семерым.
Что все это время происходило с самим заводом? Его передали на баланс
Белгосуниверситета. В одной из частей здания функционировало
предприятие РУП «Адамас БГУ»: ученые проводили исследования, изучали
производство технических алмазов, совершенствовали его. Правда,
эксплуатация установок обходилась очень дорого и финансовый вопрос
становился все острее.
Белорусские бриллианты
«Когда китайцы, арабы и израильтяне стали уговаривать продать производство, стало понятно: спрос есть»
На краю Атолино стоит то самое трехэтажное здание завода, о котором так
грезили советские ученые — обычное производство с крашеными стенами и
свежим ремонтом внутри. На проходной здесь — милиционер и строгий
пропускной режим.
Несколько лет назад предприятие «Адамас БГУ» перешло в структуру
Управления делами президента. А чуть больше года назад проректора
Академии управления при президенте Максима Борда попросили оценить
ситуацию в Атолино: есть смысл наладить там производство или же проще
сдать аппараты в утиль?
— Признаюсь сразу: по образованию я юрист и тема производства алмазов
для меня была нова, — Максим Наумович ведет нас в цех. — Я стал
штудировать литературу, смотреть зарубежный опыт. Честно, сам не верил в
то, что наши кристаллы на самом деле хорошие и их можно продавать. Но
поездил по выставкам, показывал алмазы, ограненные бриллианты, которые
вырастили у нас в цеху, — специалисты восторгались качеством. А когда
стали звонить армяне, китайцы, израильтяне с уговорами продать
оборудование, уже окончательно понял: перспективы есть.
Так в ноябре 2016 года появилось ООО «АдамасИнвест» (предыдущее
предприятие сейчас на стадии ликвидации). Оно также подчиняется
Управлению делами президента и работает по специальному проекту
«Восстановление производства синтезированных алмазов и развитие
ювелирного производства изделий со вставками из получаемых бриллиантов».
Работает здесь 45 человек.
— Под этот проект мы получили заем. Деньги возвратные, есть четкие
сроки, — подчеркивает Максим Наумович. — Мы разработали подробный
бизнес-план, за полгода привели в порядок здание, восстановили цех и
запустили ювелирное производство. Фактически на него мы сейчас и делаем
упор.
На рынок технических алмазов, по словам Максима Наумовича, смысла идти
нет: всех игроков уложил на лопатки Китай. Девять лет назад Киевский
инструментальный завод продал КНР образец специального пресса. Китай
наштамповал их 40 тыс. штук, в 2014 году вышел на рынок технических
алмазов и обвалил его в 20 раз. Поэтому даже несмотря на то, что
белорусские технические алмазы по качеству превосходят китайские, стоят
они впятеро дороже.
— На ювелирный рынок Китай пока не идет. Думаю, его не пускают два
крупнейших игрока: подконтрольная США De Beers и российская «Алросса».
Поэтому в синтезе ювелирных алмазов у нас неплохие шансы, — заключает
Максим Борд.
Температура может вырасти до 2 тыс. градусов, давление — до 20 тыс. атмосфер
Огромный зал с десятками цилиндров и минимум рабочих — так выглядит цех с
теми самыми БАРСами, которых здесь 120 штук. Обслужить все аппараты за
смену могут слесарь и инженер. Всего же в цеху работает 10 человек.
— Они проектировались в 1970-х, но в производстве алмазов для ювелирных
целей и лучше БАРСов пока не найти, — показывает раскрытую полусферу
Максим Наумович. — Вообще, в настоящее время в мире существует две
технологии получения алмазов: HTHP (high temperature, high pressure —
высокая температура, высокое давление) и CVD (chemical vapor deposition —
химическое осаждение из паровой фазы). Последняя хороша для
производства технических алмазов, но не очень пригодна для ювелирных.
Дело в том, что в газовой среде камень растет ровными слоями, а в
природе — неравномерно, как и при технологии HTHP, которую мы
используем.
Максим Наумович показывает пульт управления цилиндрами. Это
специальная аппаратура, которая контролируется вручную. При малейших
отклонениях от заданных значений работники регулируют показатели.
— Казалось бы, пусть бы компьютер следил за тем, как растут алмазы. И у
меня, честно говоря, были мысли автоматизировать этот процесс, —
рассуждает директор. — Но когда я увидел нашу технологию, то понял:
смысла нет. Во-первых, дорого, вложения не окупятся. Во-вторых, рост
алмазов зависит от десятка нюансов: например, от перепадов температуры
во внешней среде на различных этапах. Сможет ли компьютер учесть все эти
нюансы и среагировать, как человек? Мы думаем, что пока нет.
Сами БАРСы устроены довольно просто: 3,5 тонны металла, шланг для подачи
масла, которое создает давление, и контакты, дающие ток и температуру.
Внутри аппарата — две сферы: большая и поменьше. Каждая сфера состоит из
шести частей — пуансонов, изготовленных из специального легированного
сплава. Большие весят по 16 килограммов, маленькие — чуть меньше
килограмма. Маленькие пуансоны — это фактически расходный материал. Они
стоят по $200 и выходят из строя в среднем после пяти синтезов.
— Температура на входе в аппарат — 1500 градусов, давление — 1800
атмосфер, — объясняет директор. — Внутри температура может вырасти до 2
тыс. градусов, а давление — до 10—20 тыс. Температура и давление
меняются на протяжении всего роста алмаза. Это трое суток, а не
столетия, как в природе.
В самом центре сферы находится специальный фарфоровый кубик. В нем,
как говорит Максим Наумович, и есть «вся наука». Перед тем как кубик
отправят в БАРС, его «фаршируют»: закладывают специальную спрессованную
таблетку, состоящую из отдельных компонентов, как правило, металлов,
здесь же и маленький кусочек алмазика, который потом вырастает в большой
камень и графитовый стержень (графит — это среда, которая дает алмазу
возможность расти). Потом кубик сушится в печи, пропитывается
определенными материалами, и только после всех этих процедур его можно
закладывать.
Вырастет алмаз или нет, зависит даже от теплоты рук работников
— Технология производства очень «капризна», — добавляет Максим Наумович.
— Алмаз может вырасти большим, может — маленьким, хорошим или плохим, а
то и совсем не растет. Все зависит от десятка факторов: от рук
инженера, который собирает кубик, от того, как он просушит его,
правильно ли пропитает, — вплоть до температуры в цеху и качества
графита. Как-то в странах Балтии тоже пытались наладить производство.
Закупили оборудование, а алмазы не росли. Оказалось, вырастить алмаз —
это не просто включить рубильник.
Через три дня кубик вынимают из БАРСа, разбивают и достают небольшую
болваночку, на которой может виднеться край кристалла. Болванку бросают в
колбу и заливают «царской водкой» (три порции соляной кислоты и одна
азотной). Колбы ставят в специальный шкаф и нагревают, чтобы реакция
пошла быстрее.
— При нормальных условиях через два часа металлы растворяются и
остается только алмаз, — говорят в лаборатории. — Потом мы извлекаем
алмаз, промываем его и опускаем в хромовую смесь.
Так убирают графит и получают уже чистый алмаз. Его взвешивают,
упаковывают и передают на аутсорсинг — на огранку в российскую компанию
(свободных специалистов по огранке в Беларуси нет, а учить новых пока
дорого).
— От первоначального веса алмаз может потерять 30—60%. Все зависит от
наличия включений и чистоты камня, — добавляют на производстве. — Кроме
того, в половине всех синтезов гарантированно получаются
высококачественные камни для огранки и установки в изделие — это 220
камней в месяц. Еще в 20% случаев получаются камни чуть более низкого
качества.
— Для работы пока достаточно, но для развития этого маловато. Вот бьемся
над этой задачей, — Максим Наумович показывает образцы алмазов. — Мы
сертифицировали наши камни в Международном геммологическом институте в
Антверпене. Экспертное мнение таково: наши камни ничем не отличаются от
натуральных по всем своим химическим и физическим характеристикам. Здесь
точно же такие показатели по прочности, отсутствию реакции на радиацию и
так далее.
В основном предприятие выращивает бесцветные алмазы весом до 1 карата,
получая бриллианты в 0,2—0,3 карата. Такие камни идут в основном на
серьги и кольца. Кристаллы можно и облагораживать: придавать лимонный,
черный, красный и другие цвета. Но на предприятии говорят, что белорусы
предпочитают классику.
«Индусы стали просить делать ритуальные алмазы из праха умерших»
Узнав про невысокие по мировым меркам цены на белорусские камни, на
предприятие позвонили индусы с необычной просьбой: делать ритуальные
камни.
— Они хотят сохранять память о своих кремированных родственниках в
таком виде. По сравнению с британской компанией, которая вплотную
занимается подобным производством, наши алмазы выходили в пять раз
дешевле, — объясняет директор.
— Работать с прахом умерших мы не решились, а вот технологию получения
алмаза из волос отработали. Да, алмазы можно получить из волос. Мы
получаем из них углерод, а дальше работаем по той же схеме. Технологию
мы опробовали, выпустили уже 12 таких камней. Правда, пока массовое
внедрение этой темы — следующий этап работы для нас. И в этой теме
большой потенциал для науки.
Но все же основной упор компания делает на собственное ювелирное
производство. Ювелирный цех хоть и небольшой (9 человек), но
потенциально там могут производить до 5 тыс. единиц в месяц. На прошлой
неделе большая партия белорусских бриллиантов поступила в магазины.
— Наши изделия обходятся на 20—30% дешевле изделий с натуральными
камнями, а сами синтезированные бриллианты стоят и вовсе вдвое дешевле
натуральных. К примеру, отпускная цена на готовое изделие с бриллиантом в
0,15 карата составляет 300 рублей, с камнем в 0,25 карата будет стоить
600 рублей, — директор показывает образцы изделий.
В основном это помолвочные кольца. Максим Наумович говорит, что в планах
есть и серьги, и запонки, и серебро с бриллиантами, и даже арт-серия в
экостиле.
— В Европе синтезированные алмазы набирают популярность. Считается, что
они более экологичны, чем добытые из недр земли. И это правда. Тем более
что по свойствам они не уступают природным, — рассуждает он и делится
планами: укрепиться на ювелирном рынке, открыть фирменный магазин с
ценами на 40% ниже рыночных и многое другое.
— Есть цель сделать наши бриллианты доступным белорусским брендом. А
глобальная задача — за счет полученной прибыли дальше развивать научные
технологии в этой сфере, — добавляет Максим Борд.
Синтетические алмазы, или бриллианты, это искусственно выращенные бриллианты, возникшие в результате человеческой деятельности, относящиеся к классу промышленных изделий. Такие камни обладают той же атомной структурой, химическим составом и физическими свойствами, что и настоящие добытые бриллианты, к тому же они производятся из тех же материалов, а именно: чистый углерод, кристаллизованный в изотропичную кубическую форму.
Уникальные свойства синтетических алмазов делают их превосходным продуктом для удивительно разнообразного применения в промышленности, науке и быту. Сочетание свойств делает искусственный алмаз одним из самых впечатляющих материалов в мире.
Отсутствие дефектов кристаллической решетки считается основным выдающимся свойством алмаза. Чистота и совершенство кристалла делают алмазы прозрачными, высокая теплопроводность актуальна для сферы промышленности, а твердость, оптическая дисперсия и химическая стойкость сделали алмаз популярнейшим драгоценным камнем. Оптическая дисперсия присуща всем алмазам, остальные характеристики могут варьироваться в зависимости от метода и условий создания.
Свойства бриллиантов включают:
Оптические свойства и цвет синтетических алмазов
Искусственный бриллиант имеет самый широкий спектральный диапазон из всех известных материалов: от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного и микроволнового. В сочетании с механическими и термическими свойствами алмазы идеальны в производстве лазерной оптики, применении лазеров.
Бриллианты можно встретить в любом вообразимом цвете с бесчисленным количеством оттенков, тонов и уровней насыщенности. Цвет возникает из-за включений на уровне атомов, застрявших в кристаллической решетке камня.
Цвет состоит из 3 основных компонентов:
Созданные в лаборатории бриллианты выращиваются в трех потрясающих цветах – желтом, синем и бесцветном. Эти цвета являются перманентными, никогда не меняются, не выцветают со временем или из-за температурного воздействия.
Рассмотрим более подробно:
Заменители драгоценного камня
Заменитель бриллианта это материал, внешний вид которых сильно напоминает настоящие бриллианты. Если эксперт не осмотрит заменитель на близком расстоянии, имитация почти неотличима от настоящего алмаза. Поддельные камни, в отличие от оригиналов, не имеют кристаллической решетки углерода.
Подделки алмазов существовали еще в 1920 году – были обнаружены формы шпинели, такие как корундолит и радиент, а десятилетиями позже – формы титаната стронция, сапфира, рутила и других минералов, возглавивших мировой рынок фальшивых бриллиантов.
В последние годы появился новый класс алмазов-имитаторов со значительным повышением качества. Одним из наиболее распространенных имитаторов бриллиантов является диоксид циркония, или фианит.
Обнаруженный в 1976 году материал занимает второе место после муассанита в производстве фальшивых бриллиантов. Материал смешивают со стабилизирующим агентом, например оксидом кальция или иттрия оксидом. Фианиты доступны на рынке в различных цветах и чистоте/яркости.
Бесцветный фианит является одним из самых дорогих, поскольку произвести его тяжелее всего.
Коэффициент относительной плотности добытого алмаза ниже, чем у фианита, этот фактор используется как эффективная проверка на подлинность бриллианта, осуществляемая посредством специального устройства, напоминающего перо ручки. Фальшивка тяжелее и приобретает характерный зеленовато-желтый цвет при воздействии коротковолнового ультрафиолетового излучения.
Муассанит ярче, чем алмаз, и его сложнее отличить от настоящего бриллианта, чем фианит. Химически он известен, как карбид кремния или карборунд. Генри Мауссан получил Нобелевскую премию за открытие материала муассанита, найдя фрагменты метеорита в кратере. Свойства мауссанита позволяют выдавать его за настоящий бриллиант даже при самых минимальных человеческих усилиях и современных методах обработки.
Покупатель камня может быть легко обманут, купив вместо бриллианта реплику. Природные бриллианты имеют шероховатую поверхность и черные включения, у муассанита же нет косметических дефектов, эстетические качества материала оцениваются очень высоко.
Некоторые другие заменители бриллиантов доступные сегодня – циркон, белый топаз, синтетический рутил, белый сапфир и алюмоиттриевый гранат. Эти поликристаллические синтетические бриллианты производятся методом химического осаждения из газовой фазы при низкой температуре и низком давлении.
К заменителям относится также стеклянный бриллиант, симулянт, изначально сделанный из горного хрусталя, а сегодня - из стекла или акриловых полимеров.
Еще в XVIII веке ювелиру из Эльзаса Георгу Фридриху Страссу, от чьего имени и получил название материал, в голову пришла идея наносить на нижнюю сторону свинцового стекла (хрусталя) металлическую пудру. Сегодня некоторые компании используют метод осаждения металла, получая равномерное тончайшее покрытие.
Хрустальные стразы производятся австрийской компанией Swarovski и компанией Preciosa из Чехии.
Технология выращивания искусственного камня
Метод получения искусственных алмазов осуществляется посредством ручного управления температурой и давлением в лабораторных условиях. На сегодняшний день существует 2 варианта получения техногенных камней, достаточно крупных для создания ювелирных изделий:
Как вырастить алмаз в домашних условиях?
Для того чтобы провести опыт и узнать, как сделать алмаз дома, вам понадобится:
Рассмотрим процесс поэтапно:
Примечание: из-за масла в микроволновой печи могут появиться искры, это не страшно, искры перестанут появляться спустя несколько минут. Внутри кружки температура невероятно высокая, поэтому конструкцию трогать не нужно до полного остывания.
Федеральная торговая комиссия США настаивает на том, чтобы синтетические бриллианты были маркированы лазерной гравировкой. Другим доступным способом, устанавливающим различие между добытым природным алмазом и камнем, выращенным в лаборатории, является использование научного аппарата и программы, изучающей и фиксирующей характерную кристаллическую решетку.
На сегодняшний день самым крупным синтетическим бриллиантом в России является камень в 10,07 карата темно-синего цвета с изумрудной огранкой, выращенный российской компанией по производству алмазов “Нью Даймонд Технолоджи”.
Камень был получен методом использования высоких температур и высокого давления. Международный Геммологический Институт сертитфицировал данный алмаз, как имеющий ясность Si1, когда включения заметны опытному грейдеру с 10-кратным увеличением, камень имеет легкое свечение, отличные пропорции, симметрию и глянец.