Автор: Ехуда Якар
Геммологические центры AA GIA, GCI
Многие знают, что до сих пор известным нам способом производства синтетических алмазов была высокотемпературная обработка под высоким давлением. Такой способ позволяет получать отдельные кристаллы – в основном желтого, голубого или розового цвета.
При использовании метода химического парофазного осаждения – в плазме (в ионизированных газах при низком давлении) – можно выращивать синтетический алмаз с большой площадью поверхности, на поверхности другого материала или с контролируемыми, заранее заданными характеристиками.
Существует возможность химического осаждения алмазов на различные поверхности – алмаза, кремния, вольфрама, молибдена, карбида кремния, нитрида кремния, кварцевого стекла, твердых сплавов и других материалов, подходящих в качестве подложки. Они должны быть способны выдерживать высокую температуру, быть устойчивыми к химическому воздействию используемых газов и не сплавляться с углеродом.
Одна из фундаментальных проблем процесса выращивания синтетического алмаза – аллотропия углерода. Он является основным химическим элементом и может существовать в нескольких различных формах. В нормальных условиях стабильное термодинамическое состояние углерода это графит. По этой причине первейшая необходимость при выращивании алмаза химическим парофазным осаждением – обеспечить такое осаждение атомов углерода, при котором пресекается создание характерных для графита электронных связей типа sp2. Эта цель достигается за счет добавления дополнительного слоя атомов водорода и активации процесса высокой температурой или плазмой.
Идеальные условия осаждения – применение газа с 1-процентным содержанием метана (так называемый болотный газ) в смеси с водородом в качестве первичного газа при температуре от 700 до 1000 градусов Цельсия и при давлении от 30 до 300 мм ртутного столба (составляет примерно 0,4 атмосферы).
Бриллианты, обработанные высокой температурой под |
Различные способы изготовления синтетических алмазов путем химического осаждения могут отличаться один от другого лишь методом активации газообразного состояния вещества – при помощи высокочастотной плазмы или за счет нагрева. У всех из них есть свои преимущества и недостатки. Основные отличия – скорость осаждения материала, размер площади поверхности, на которую осаждается материал, и качество получаемого алмаза. Если задаться целью, то можно добиться скорости осаждения почти 1 мм в час, однако у этой высокой скорости есть свое ограничение: площадь поверхности не может превышать 1 кв. см. Кроме того, по мере увеличения скорости осаждения снижается качество выращиваемого алмаза. Чтобы получить прозрачный алмаз с высоким показателем теплопроводности, используется скорость осаждения не более 10 микрон в час.
Приобретая уникальные механические, оптические, электрические и тепловые характеристики, синтетически алмаз превращается в материал для совершенно новых, радикальных сфер применения.
Компоненты, выполненные из синтетического алмаза, применяются в высокоэнергетических физических экспериментах, используются в сфере телекоммуникаций, в рентгенографии, в лазерных технологиях. Алмазы, выращенные способом ХПО, обладают высокой способностью пропускать световое излучение – от ультрафиолетового (с частотой 230 нанометров) до инфракрасного. Исключение составляет небольшой диапазон длин волн от 2,5 до 6 микрон. Это свойство открывает возможности использовать такой материал во многих сферах промышленности, в том числе и в оптике.
Ехуда Якар |
Например, можно выращивать линзы с высокой способностью пропускать свет и устанавливать в камеры, которые будут обеспечивать высочайшее качество получаемого изображения. Телескопы и прочие устройства, предназначенные для сбора информации о Вселенной, будут способны обеспечивать нас данными, о которых сегодня не приходится и мечтать. Линзы для фото - и видеокамер за счет своей прочности будут более долговечными и устойчивыми к царапинам – ведь поцарапать их можно будет только алмазом!
Изолирующие электронные вещества служат в качестве внешнего окна в системе высокого давления. Выращенный способом ХПО алмаз – единственный материал, подходящий для изготовления линз для таких окон. Его можно использовать в качестве линзы в термоядерной реакции, поскольку он позволяет пропускать излучение желаемой мощности, при чем за счет исчезновения точек высокого нагрева отпадает необходимость в технологиях охлаждения. Ученые считают термоядерный синтез следующим поколением производства чистой возобновляемой энергии (хотя катастрофа в Фокусиме несколько подорвала их веру в ядерную энергию).
Поскольку путем химического парофазного осаждения можно «напылять» синтетический алмаз на поверхности других материалов, возникает возможность воспользоваться преимуществом исключительной твердости алмаза при изготовлении механических устройств. Например, «алмазные» двигатели будут устойчивы к царапинам и общему износу. Уже сегодня «алмазные» диски используются для бурения нефтяных и газовых скважин, сверления мрамора и даже в домашнем хозяйстве, когда приходится иметь дело с бетоном. Резцы из материалов, прошедших обработку способом ХПО, обеспечивают высокую точность и качество резки.
При выращивании алмазов в контролируемых условиях получается более однородный и чистый материал по сравнению с природным алмазом, и его характеристики полностью отвечают заданным значениям.
Что касается эстетической ценности алмаза, то здесь для ювелиров открывается целый мир безграничных возможностей: можно получать камни широкого спектра цветов и оттенков, регулировать глубину цвета, создавать сочетающиеся друг с другом оттенки по разумным ценам и в течение довольно быстрого периода времени.
Если когда-нибудь наступит дефицит предложения природных алмазов или они вовсе исчезнут (или их добыча утратит экономическую целесообразность), потребности и желания потребителей без удовлетворения не останутся. Говорят, что алмаз – это навсегда. Теперь мы можем вклиниться и сделать так, что алмаз будет не только навсегда, но и по-настоящему вечным...
Следует помнить, что синтетические алмазы, выращенные способом химического осаждения, это все те же алмазы во всех смыслах этого слова. То есть, они состоят из практически чистейшего углерода, и их относительная твердость по шкале Мооса равна 10. Следовательно, при использовании их в производстве бриллиантов синтетические алмазы нужно распиливать и гранить так же, как и природные алмазы.
Атомная масса ХПО-алмазов равна 3,52, т.е. все формулы и расчеты веса ничем не отличаются. Они обладают хорошей теплопроводностью, так что все стандартные исследования и процедуры оценки будут давать те же результаты, что и у природных алмазов. Осмотр ХПО-алмазов под микроскопом под прямым углом к короне решающих результатов не дает. Кроме того, большинство ХПО-алмазов выращивается с чистотой не менее VS. Все это говорит о том, что отличить ХПО-алмаз от природного не просто, и для этого понадобятся высокие знания и очень недешевое специализированное оборудование. О знаниях в следующей статье.
ХПО-алмазы подлежат обязательной классификации как синтетические алмазы, и информация об их происхождении должна предоставляться на каждой стадии их реализации.
Ряд фирм уже торгует алмазами ювелирного качества, изготовленными методом ХПО, в том числе Gemesis (компания специализируется на методе выращивания алмазных кристаллов в условиях высокой температуры и высокого давления, но сегодня уже стала использовать и метод ХПО), Scio (ранее Apollo), Life Gem, Chatam, D Nea Diamonds и другие.
Стоит обратить внимание на компанию Element Six – раньше она называлась De Beers Industrial Diamonds, – которая специализируется на производстве синтетического алмаза, кубического нитрида бора и других особо твердых материалов промышленного назначения. Фирма основана в 1946 году сэром Эрнстом Оппенгеймером именно для производства синтетических алмазов и прочей продукции для использования в изготовлении сверхтвердых промышленных материалов. Сегодня Element Six входит в состав ведущих мировых специалистов по производству сверхтвердых материалов, в том числе синтетических алмазов. De Beers вкладывает огромные средства в исследования и разработку технологических средств, позволяющих определить происхождение алмаза и отделить синтетические от природных.
Хаим Эвен-Зохар разговаривал с Джонатаном Оппенгеймером, сыном Никки Оппенгеймера, продавшего свою долю в De Beers компании Anglo American. Джонатан, как говорит Хаим Эвен-Зохар, в конечном итоге займется продажей синтетических алмазов ювелирного качества: «В разговоре, который состоялся в начале этого года в Италии, он с воодушевлением рассказывал мне, что у подразделения De Beers по «синтетике», Element Six (сокращенно – E6), которое Джонатан возглавляет [или до недавнего времени возглавлял], есть конкретные маркетинговые планы, «но с De Beers им не сбыться. Мы на это не пойдем». Он также намекнул, что система формирования цен на синтетические алмазы будет существенно отличаться от ценообразования по природным алмазам.
Компания Е6 – успешный производитель суперматериалов глобального масштаба, поставляющий свою продукцию изготовителям инструментов, станков и оборудования и прочим заказчикам, находящим ей применение во множестве отраслей промышленности. У компании огромные производственные мощности в Ирландии, Китае, Германии, Швеции, ЮАР и Великобритании. Созданы контролируемые De Beers совместные предприятия с бельгийской Umicore. Что касается синтетических алмазов ювелирного качества, этим бизнесом полностью владеет De Beers. Для компании Anglo American он непрофильный, и я, конечно же, предполагаю, что в течение ближайших двух лет она продаст соответствующую долю в De Beers назад семье Оппенгеймеров.
Если принять во внимание, что запасы природных алмазов истощаются, понимаешь, что появился материал, на который действительно стоит обратить внимание.
Статья первоначально опубликована в 208-м выпуске журнала HaYahalom