Найбільші в світі бездоганні за своєю якістю алмази добувають не в Африці, не в Австралії, не в Індії і не в Якутії, а по сусідству з Санкт-Петербургом. Точніше, не видобувають, а вирощують.
Роман Колядин, директор з виробництва, показує мені невеличкий цех в одному з технопарків неподалік від Сестрорецка. Цех безлюдний, лише півтора десятка гідравлічних пресів стоять уздовж стін. Це і є «родовище» - всередині пресів, в умовах високих температур і тисків, мікрон за мікроном ростуть абсолютно бездоганні алмази. На пультах управління контролерів у кожного преса відображаються поточні параметри, але Роман просить знімати картинку так, щоб ці дані не потрапили в кадр: «Загальні принципи синтезу алмазів добре відомі і використовуються в промисловості вже понад півстоліття. А ось деталі режимів синтезу - одне з ноу-хау нашої компанії ». Я звертаю увагу на прецизійні кондиціонери, які підтримують мікроклімат в цеху з точністю до десятих часток градуса. Невже в такий точності є необхідність? «Пам'ятайте, ми відразу ж закрили за собою двері, щоб уникнути протягу? - пояснює Роман. - Невеликі відхилення в температурному режимі можуть серйозно вплинути на якість алмазу, і не в кращу сторону. А ми завжди прагнемо отримати ідеальне якість ».
Процес вирощування монокристалів алмазу при високій температурі (близько 1500 ° C, з потрібним градієнтом) і високому тиску (50-70 тис. Атм.). Гідравлічний прес обжимає спеціальний контейнер, всередині якого знаходиться металевий розплав (залізо, нікель, кобальт і ін.) І графіт. На підкладці розміщується одна або кілька запалів - невеликих кристалів алмазу. Крізь камеру протікає електричний струм, що розігріває розплав до потрібної температури. У цих умовах метал служить розчинником і каталізатором процесу кристалізації вуглецю на затравки в формі алмазу. Процес вирощування одного великого або декількох більш дрібних кристалів триває 12-13 діб.
Підгледіли у природи
Історія синтетичних алмазів починається з кінця XVIII століття, коли вчені остаточно зрозуміли, що цей камінь за своїм складом є вуглецем. В кінці XIX століття були спроби перетворити дешеві варіанти вуглецю (вугілля або графіт) в твердий і блискучий алмаз. Заяви про вдалий синтезі робили багато відомих учених, такі як французький хімік Анрі Муассан або британський фізик Вільям Крукс. Пізніше, правда, було встановлено, що ніхто з них насправді успіху не добився, і перші синтетичні алмази були отримані тільки в 1954 році в лабораторіях компанії General Electric.
Дешевший процес осадження алмазу з іонізованої вуглеводневої газового середовища на підкладці, розігрітій до 600-700 ° С. Для вирощування монокристалів за допомогою CVD потрібно алмазна монокристалічна підкладка, вирощена за допомогою HPHT. При осадженні на кремній або полікристалічний алмаз виходить полікристалічна пластина, що має обмежене застосування в електроніці та оптиці. Швидкість зростання - від 0,1 до 100 мкм / год. Товщина пластин зазвичай обмежена 2-3 мм, тому вирізані з неї алмази можна використовувати в якості ювелірних, але їх розмір, як правило, не перевищує 1 карата.
Процес, який використовували для синтезу в GE, був «подсмотрен» у природи. Вважається, що земні алмази утворюються в мантії, на глибині в сотні кілометрів під поверхнею Землі, при високій температурі (близько 1300 ° С) і високому тиску (близько 50 000 атм.), А потім виносяться на поверхню магматическими породами, такими як кимберліти і лампроітов. Розробники GE обжимали за допомогою преса осередок, всередині якої знаходився графіт і залізо-нікелево-кобальтові розплав, який виступав в якості розчинника і каталізатора. Цей процес був названий HPHT (High Pressure High Temperature - високий тиск, висока температура). Саме цей спосіб пізніше став комерційним для отримання недорогих технічних алмазів і алмазних порошків (зараз їх виробляють мільярдами карат на рік), а в 1970-х з його допомогою навчилися виготовляти і ювелірні камені масою до 1 карата, хоча і вельми середньої якості.
Як виростити алмаз
Дві основні технології промислового одержання синтетичних алмазів - це HPHT і CVD. Існує ще ряд екзотичних методик, таких як синтез нанокристалів алмаза з графіту при вибуху або експериментальний метод отримання мікронних алмазів з суспензії частинок графіту в органічних розчинниках під впливом ультразвукової кавітації.
Обхідний шлях
До останнього часу метод HPHT залишався сильно недооціненим. «Коли ми кілька років тому купували обладнання, нам все в один голос говорили, що промислові преси придатні хіба що для синтезу алмазних порошків», - каже Микола Хіхінашвілі. Всі ресурси виділялися на розробку CVD, а технологія HPHT вважалася нишевой, ніхто з фахівців не вірив, що з її допомогою можна вирощувати досить великі кристали. Однак, за словами Миколи, фахівцям компанії вдалося розробити власну технологію синтезу, яка буквально справила в галузі ефект бомби, що розірвалася. Кілька років тому в звіті однієї з геммологических лабораторій так і було написано: «Вага даного діаманта становить 2,30 карата! Подібна величина діаманта ще до недавнього часу була гарантом його природного походження ».
Огранювання алмазів для отримання блискучих діамантів -
процес довгий і не дуже вражаючий для непосвяченого людини. І вирощені, і натуральні алмази обробляються абсолютно однаковим чином.
Кращі друзі дівчат
«Ми, звичайно, не єдині, хто вирощує алмази крупніше 5-6 карат, - пояснює Микола. - Але всі інші підкоряються принципу «два з трьох»: великі, якісні, комерційно вигідні. Ми перші, хто навчився отримувати великі кристали алмазу високої якості за прийнятною вартістю. На 32 пресах ми можемо вирощувати близько 3000 карат на місяць, і це каміння дуже високої якості - алмази кольору D, E, F і чистоти від найчистіших IF до SI, в основному типу II. 80% нашої продукції - це ювелірні алмази масою від 0,5 до 1,5 карата, хоча ми можемо виростити під замовлення алмаз будь-якого розміру ». Як доказ Микола простягає мені кристал розміром з 10-рублеву монету: «Ось це, наприклад, 28 карат. Якщо огранувати його, вийде діамант карат в 15 ».
«Як ставляться споживачі до вирощеним алмазів? Добре, - каже Микола, - особливо сучасна молодь. Для них важливо, що ці алмази безконфліктні і створені людьми за допомогою високих технологій без втручання в природу. Ну і ціна приблизно вдвічі нижче. Звичайно, в сертифікаті написано, що камені вирощені, але ж носять щось кільце з діамантом, а не сертифікат! А по фізичним і хімічним властивостям наші алмази ідентичні природним ».
Два слова на букву «А»: алмаз і азот
Залежно від вмісту азоту алмази відносять до одного з двох основних типів. Алмази типу I містять до 0,2% азоту, атоми якого розташовані в вузлах кристалічної решітки групами (Ia) або поодинці (Ib). Тип I переважає серед природних алмазів (98%). Як правило, такі камені рідко бувають безбарвними. Алмази типу IIa практично не містять азоту (менше 0,001%), серед природних каменів їх всього 1,8%. Ще рідше (0,2%) зустрічаються безазотні алмази з домішкою бору (IIb). Атоми бору в вузлах кристалічної решітки обумовлюють їх електропровідність і надають алмазам блакитний відтінок.
Від прикрас до промисловості
Ювелірні алмази - це прибуткова частина бізнесу NDT, але завтрашній день належить іншому напрямку. Технічний директор компанії NDT Олександр Колядин любить говорити: «Якщо з алмаза вже нічого більше не можна виготовити, зроби діамант». Насправді найбільш перспективний ринок для великих високоякісних синтетичних алмазів - це промисловість. «Жоден природний алмаз не годиться для використання в спеціальній оптиці або електроніці, - каже Олександр Колядин. - У них дуже багато дефектів. А пластини, вирізані з наших алмазів, мають майже ідеальну кристалічну решітку. Деякі дослідні організації, яким ми надаємо наші зразки для вивчення, насилу можуть повірити в виміряні параметри - настільки вони ідеальні. І не просто окремі зразки - ми можемо впевнено забезпечити повторюваність характеристик, що для промисловості життєво важливо. Алмази - це тепловідводи, це вікна для спеціальної оптики і для синхротронів, і, звичайно, силова мікроелектроніка, над створенням якої зараз працюють в усьому світі ».
Поки що більшу частину прибутку дає виготовлення алмазів для ювелірного ринку
Однак, швидше за все, в найближчі роки виникне величезний попит на вирощені алмази і алмазні пластини для спеціальної оптики, мікроелектроніки та інших високотехнологічних промислових застосувань.
«Промислове напрямок поки становить 20% нашого виробництва, але років через три ми плануємо довести його до 50%, тим більше що попит швидко зростає. Зараз ми в основному робимо пластини 4 х 4 і 5 х 5 мм, вирізали на замовлення кілька 7 х 7 і 8 х 8 мм і навіть 10 х 10 мм, але це поки не масове виробництво. Наша наступна мета, - каже Микола Хіхінашвілі, - це перейти до виготовлення дюймових алмазних пластин. Це той мінімум, який дуже затребуваний в масової електронної та оптичної промисловості. Для отримання таких пластин потрібно виростити кристал алмазу масою в сто карат. Це наш план на найближче майбутнє ». «На десятиліття?» - уточнюю я. Микола з величезним подивом дивиться на мене: «Десятиліття? Ми збираємося зробити це до кінця року ».