Как из графита сделать алмаз. Чтобы графит стал алмазом

Алмаз, графит и уголь - состоят из однородных атомов графита, но имеют различные кристаллические решетки.

Краткая характеристика: алмаз, графит и уголь

Кристаллические решетки графита не имеют прочных связей, они представляют собой отдельные чешуйки и как бы скользят друг по другу, легко отделяясь от общей массы. Графит часто используют в качестве смазки для трущихся поверхностей. Уголь состоит из мельчайших частиц графита и таких же малых частиц углерода, находящегося в соединении с водородом, кислородом, азотом. Кристаллическая решетка алмаза жесткая, компактная, обладает высокой твердостью. Тысячелетиями люди даже не подозревали, что эти три вещества имеют что-то общее. Все это - открытия более позднего времени. Графит серый, мягкий, жирный на ощупь совсем не похож на черный уголь. Внешне он скорее напоминает металл. Алмаз - сверхтвердый, прозрачный, сверкающий, по внешнему виду совсем отличен от графита и угля, (подробнее: ). Никаких признаков их родства не давала и природа. Месторождения угля никогда не соседствовали с графитом. В их залежах никогда геологи не обнаруживали сверкающих кристаллов алмаза. Но время не стоит на месте. В конце XVII века флорентийским ученым удалось сжечь алмаз. После этого не осталось даже крохотной кучки золы. Английский химик Теннант через 100 лет после этого установил, что при сжигании одинаковых количеств графита, угля, и алмаза образуется одинаковое количество углекислого газа. Этот опыт открыл истину.

Взаимопревращения алмаза, графита и угля

Сразу же ученых заинтересовал вопрос: а возможно ли превращение одной аллотропической формы углерода в другую? И ответы на эти вопросы были найдены. Оказалось, что алмаз полностью переходит в графит , если его нагреть в безвоздушном пространстве до температуры 1800 градусов. Если через уголь пропускают электрический ток в специальной печи, то он превращается в графит при температуре 3500 градусов.

Превращение - графита или угля в алмаз

Труднее далось людям третье превращение - графита или угля в алмаз . Почти сто лет пытались осуществить его ученые.

Получить из графита алмаз

Первым был, видимо, шотландский ученый Генней . В 1880 году он начал серию своих опытов. Он знал, что плотность графита - 2,5 грамма на кубический сантиметр, а алмаза - 3,5 грамма на кубический сантиметр. Значит, надо уплотнить укладку атомов и получить из графита алмаз , решил он. Он брал прочный стальной орудийный ствол, наполнял его смесью углеводородов, прочно закрывал оба отверстия и накаливал до красного каления. В раскаленных трубах возникало гигантское, по понятиям того времени, давление. Не раз оно разрывало сверхпрочные орудийные стволы, как авиационные бомбы. Но все-таки некоторые выдержали весь цикл нагреваний. Когда они остыли, Генней нашел в них несколько темных, очень прочных кристаллов.

Я получил искусственные алмазы,

- решил Генней.

Способ получения искусственных алмазов

Через 10 лет после Геннея французский ученый Анри Муассон подверг стремительному охлаждению насыщенный углеродом чугун. Мгновенно застывшая поверхностная корка его, при остывании уменьшаясь в размерах, подвергала внутренние слои чудовищному давлению. Когда затем Муассон растворял в кислотах чугунные ядрышки, он находил в них крохотные непрозрачные кристаллики.

Я нашел еще один способ получения искусственных алмазов !

- решил изобретатель.

Проблема искусственных алмазов

Спустя еще 30 лет, проблемой искусственных алмазов стал заниматься английский ученый Парсонс . В его распоряжении были гигантские прессы принадлежавших ему заводов. Он стрелял из пушки прямо в дуло другого оружия, но алмазов ему получить не удалось. Впрочем, уже во многих развитых странах мира лежали в музеях искусственные алмазы разных изобретателей. И было выдано не мало патентов на их получение. Но в 1943 году английские физики подвергли скрупулезной проверке полученные искусственным путем алмазы. И оказалось, что все они не имеют ничего общего с настоящими алмазами, кроме только алмазов Геннея. Они оказались настоящими. Это сразу же стало загадкой, остается загадкой и сегодня.

Превращение графита в алмаз

Наступление продолжалось. Во главе его встал лауреат Нобелевской премии американский физик Перси Бриджмен . Почти полвека занимался он усовершенствованием техники сверхвысоких давлений. И в 1940 году, когда в его распоряжении оказались прессы, могущие создавать давление до 450 тысяч атмосфер, он начал опыты по превращению графита в алмаз . Но осуществить это превращение он не смог. Графит, подвергнутый чудовищному давлению, остался графитом. Бриджмен понимал, чего не хватает его установке: высокой температуры. Видимо, в подземных лабораториях, где создавались алмазы, играла роль и высокая температура. Он изменил направление опытов. Ему удалось обеспечить нагрев графита до 3 тысяч градусов и давление до 30 тысяч атмосфер. Это было уже почти то, что, как мы знаем теперь, необходимо для алмазного превращения. Но и недостающее «почти» не позволило Бриджмену достичь успеха. Честь создания искусственных алмазов досталась не ему.

Первые искусственные алмазы

Первые искусственные алмазы были получены английскими учеными Бэнди, Холлом, Стронгом и Вентроппом в 1955 году. Они создавали давление в 100 тысяч атмосфер и температуру в 5000 градусов. В графит добавляли катализаторы - железо, ром, марганец и т. д. И на границе графита и катализаторов возникли желто-серые непрозрачные кристаллы технических искусственных алмазов. Что ж, алмаз идет не только на брилианты, он используется и на заводах, и на фабриках. Впрочем, несколько позже американские ученые нашли способ получать и прозрачные кристаллы алмаза. Для этого грант подвергают давлению в 200 тысяч атмосфер, а затем электрическим разрядом нагреванию до температуры 5 тысяч градусов. Кратковременность разряда - он длится тысячные доли секунды - оставляет установку холодной, и алмазы получаются чистыми и прозрачными.

Создание искусственных алмазов

Советские ученые пришли к созданию искусственных алмазов своим путем. Советский физик О.И. Лейпунский провел теоретические исследования и заранее установил те температуры и давления, при которых возможно алмазное превращение графита. Цифры эти в те годы - это было в 1939 году - показались удивительными, стоящими за границами достижимого для современной техники: давление не менее 50 тысяч атмосфер и температура 2 тысячи градусов. И все-таки, за стадией теоретических расчетов пришла пора создания опытных конструкций, а затем и промышленных установок. И сегодня работают многочисленные устройства, выпускающие искусственные алмазы и другие, еще более твердые вещества. Высшее достижение природы в твердости материала не только достигнуто, но уже и перекрыто. Такова история открытия третьего превращения углерода, самого важного для современной техники.

Как алмаз возник в природе

Но что осталось самого удивительного в алмазном превращении углерода? То, что ученые до сих пор не понимают, как алмаз возник в природе ! Известно, что единственным коренным месторождением алмазов являются кимберлитовые трубки . Это глубокие цилиндрические колодцы диаметром в несколько сот метров, заполненные синей глиной - кимберлитом, с которой вместе и были вынесены на поверхность земли драгоценные камни.

Гипотеза глубинного рождения алмазов

Наиболее ранней была гипотеза глубинного рождения алмазов . Согласно этой гипотезе, сверкающие кристаллы выделились из расплавленной магмы на глубине около 100 километров, а затем вместе с магмой по трещинам и разломам медленно поднимались к поверхности. Ну а с глубины в 2-3 километра магма прорывала и вырывалась на поверхность, образуя кимберлитовую трубку.

Взрывная гипотеза

На смену этой гипотезе пришла другая, вероятно, ее следует назвать взрывной гипотезой . Ее выдвинули Л. И. Леонтьев, А. А. Кадемекий, В. С. Трофимов . По их мнению, алмазы возникают на глубине всего 4-6 километров от земной поверхности. А требующееся для возникновения алмазов давление создается взрывом, вызванным некоторыми взрывчатыми веществами, проникшими в занимаемые магмой полости из окружающих осадочных пород. Это могут быть нефть, битумы, горючие газы. Авторы гипотезы предложили несколько вариантов химических реакций, в результате которых образуются взрывчатые смеси и возникает свободный углерод. Эта гипотеза объясняла и высокую температуру, требующуюся для алмазного превращения, и гигантское давление. Но не все особенности кимберлитовых трубок она объясняла. Очень легко было доказать, что породы кимберлитовой трубки образовались при давлении, не превышающем 20 тысяч атмосфер, но невозможно доказать, что они возникли при более высоком давлении. Сегодня геофизики достаточно точно установили, для каких пород требуются те или иные давления и температуры образования. Скажем, постоянный спутник алмаза - минерал пироп - требует 20 тысяч атмосфер, алмаз - 50 тысяч. Большее, чем для пиропа, и меньшее, чем для алмаза, давление требуют коэсит, стишовит, пьезолит. Но ни этих, ни других пород, требующих для своего образования столь высоких давлений, в кимберлите нет. Единственное исключение здесь - алмаз. Почему это так? Ответить на этот вопрос решил доктор геолого-минералогических наук Э. М. Галымов . Почему, спросил он себя, давление в 50 тысяч атмосфер должно быть обязательно свойственно всей массе магмы, в которой творятся алмазы? Ведь магма - поток. В ней возможны и вихри, и быстрины, и гидравлические удары, и пузырьки возникающей местами кавитации.

Гипотеза рождения алмаза в режиме кавитации

Да, именно кавитация ! Это удивительно неприятное явление, несущее не мало бед гидравликам! Кавитация может возникнуть на лопастях гидравлической турбины, если она хоть чуть-чуть вышла за границы рассчитанного режима. Такая же беда может постичь и лопасти гидравлического , перешедшего на форсированный режим. Кавитация может разрушить и лопасти пароходного винта, словно бы надорвавшегося в борьбе за скорость. Она губит, разрушает, разъедает. Да, это точнее всего: разъедает! Сверхпрочные стали, блиставшие зеркальной полировкой поверхностей, превращаются в рыхлую пористую губку. Словно тысячи крохотных беспощадных и жадных ртов рвали по крохам металл в том месте, где его изгрызла кавитация. Да еще ртов, которым «по зубам» легированный металл, от которого отскакивает напильник! Не мало аварий турбин и насосов, гибели пароходов и теплоходов произошло из-за наличия кавитации. И ста лет не прошло, как разобрались, что же это такое - кавитация. А действительно, что же это такое? Представим поток жидкости, движущейся в трубе переменного сечения. Местами, в сужениях, скорость течения растет, местами, там, где поток расширяется, скорость течения падает. Одновременно, но по обратному закону изменяется давление внутри жидкости: там, где вырастает скорость, резко падает давление, а там, где скорость уменьшается - давление растет. Этот закон обязателен для всех движущихся жидкостей. Можно представить, что при некоторых скоростях давление падает до той величины, при которой жидкость закипает, и в ней возникают пузырьки пара. Со стороны кажется, что жидкость в месте кавитации начала кипеть, ее заполняет белая масса крохотных пузырьков, она становится непрозрачной. Вот эти-то пузырьки и являются главной бедой при кавитации. Как рождаются и как умирают кавитационные пузырьки, еще недостаточно изучено. Неизвестно, заряжены ли внутренние их поверхности. Неизвестно, как ведет себя вещество паров жидкости в пузырьке. А Галымову было поначалу неизвестно, могут ли вообще возникнуть кавитационные пузырьки в магме, заполняющей кимберлитовую трубку. Ученый произвел расчеты. Оказалось, что кавитация возможна при скоростях течения магмы, превышающих 300 метров в секунду. Такие скорости легко получить для воды, но может ли течь с такой же скоростью тяжелая, густая, вязкая магма? Снова расчеты, расчеты и долгожданный ответ: да, может! Для нее возможны скорости и в 500 метров в секунду. Дальнейшие расчеты должны были выяснить, будут ли достигаться в пузырьках требующиеся величины температуры и давления - 50 тысяч атмосфер давления и 1500 градусов температуры. И эти расчеты дали положительные результаты. Средняя величина давления в пузырьке в момент охлопывания достигала миллиона атмосфер! А максимальное давление может быть в десять раз больше. Температура же в этом пузырьке имеет величину в 10 тысяч градусов. Что и говорить, условия далеко перешагнули через предельные для алмазного превращения. Скажем сразу, условия, которые создает кавитационный пузырек для зарождения алмаза, очень своеобразны. Помимо температур и давлений, по временам возникающих в крохотных объемах этих пузырьков, там проносятся ударные волны, сверкают удары молний - вспыхивают электрические искры. Звуки вырываются за пределы узкого участка жидкости, охваченного кавитацией. Соединяясь, они воспринимаются как своеобразное гудение, подобное тому, которое доносится из закипающего чайника. Но именно такие условия являются идеальными для зарождающегося алмазного кристалла. Поистине, его рождение происходит в грозе и молниях. Можно упрощенно и опуская многие детали представить происходящее внутри кавитационного пузырька. Вот повысилось давление жидкости, и кавитационный пузырь начинает исчезать. Двинулись к центру его стенки, и от них сразу же отрываются ударные волны. Они движутся в ту же сторону к центру. Не надо забывать об их особенностях. Во-первых, они движутся со сверхзвуковой скоростью, во-вторых, за ним остается крайне возбужденный газ, у которого резко поднялись и давление, и температура. Да, это та же самая ударная волна, что движется по куску горящего тола и превращает мирно горение в яростный, всесокрушительный взрыв. В центре пузырька ударные волны, бегущие с разных сторон, сходятся. При этом плотность вещества в этой точке схождения превосходит плотность алмаза. Трудно сказать, какую форму там приобретает вещество, но оно начинает расширяться. При этом ему приходится преодолевать противодавление, измеряемое миллионами атмосфер. За счет этого расширения оказавшееся в центре пузырька вещество охлаждается с десятков тысяч градусов всего до тысячи градусов. И родившийся в первые мгновения расширения зародыш кристалла алмаза сразу попадает в область температур, при которых ему уже не грозит превращение в графит. Мало того, новорожденный кристаллик начинает расти. Таково, по Галымову, таинство рождения редчайшего из творений природы и драгоценнейшего для современной техники кристалла, одного из аллотропных состояний того самого элемента, которому обязана своим существованием жизнь на нашей планете. Но это совершенно другая сторона в судьбе углерода, которому обязаны своим существованием алмаз, графит и уголь.

Добыча алмазов, несомненно, достаточно прибыльный бизнес, который может поддержать экономику любой страны. Но тем не менее, наверняка многим предпринимателям хотелось бы снизить затраты на получение этих драгоценных камней и этим самым еще увеличить доход алмазодобывающей отрасли. А что, если возможно получать алмазы синтетическим способом из графита?

Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо разобраться в природе двух материалов – алмаза и графита. Многие еще из уроков химии помнят, что эти два, казалось бы, таких разных материала целиком и полностью состоят из углерода.

Алмаз представляет собой обычно прозрачный кристалл, но может быть и синим, и голубым, и красным, и даже черным. Это самое твердое и прочное вещество на Земле. Такая твердость обусловлена особым строением кристаллической решетки. Она имеет форму тетраэдра, и все атомы углерода находятся на одном расстоянии друг от друга. Графит же темно-серый с металлическим отливом, мягкий и совершенно непрозрачный. Кристаллическая решетка графита расположена слоями, в каждом из которых молекулы собраны в прочные шестиугольники, однако между слоями связь молекул достаточно слабая. То есть, по сути, разница между алмазом и графитом заключается в различном строении кристаллической решетки.

Получение алмаза из графита

Как таковое превращение графита в алмаз возможно. Это доказали еще ученые ХХ века. В 1955 г. был представлен отчет компании General Electric и синтезированы первые алмазы, правда, очень мелкие. Первым осуществил синтез исследователь компании Т. Холл. Для достижения таких успехов было применено оборудование, позволяющее создавать давление в 120 тыс. атмосфер и температуру в 1800°С.

Группой ученых из Allied Chemical Corporation было осуществлено прямое превращение графита в алмаз. Для этого были использованы более экстремальные условия по сравнению с предыдущими методами. Для создания на 1 микросекунду предельного давления в 300 тыс. атмосфер и температуры в 1200°С применялось взрывчатое вещество огромной мощности. В результате в образце графита обнаруживалось несколько мелких частичек алмаза. Данные о результате эксперимента были опубликованы в 1961 г.

Однако это были не все способы получения алмазов из графита. В 1967 г. Р. Уэнторф вырастил первый алмаз на затравке. Скорость роста оказалась достаточно низкой. Самый крупный синтетический алмаз Р. Уэнторфа, изготовленный данным методом, достиг размера в 6 мм и веса в 1 карат (примерно 0,2 г).

Современные методы синтеза алмазов из графита

Современные технологии позволяют получать алмазы из графита несколькими методами. Алмазы синтезируются в условиях, максимально приближенных к природным, а также с использованием катализаторов. Производится наращивание кристаллов алмаза в метановой среде, а мелкую алмазную пыль для производства различных абразивов получают методом взрыва взрывчатых веществ или проволоки большим импульсом тока.

Предлагается способ выращивания алмаза из графита в камере высокого давления, воздействуя импульсно-периодическим лазерным излучением на границу алмаз-графит через одну из прозрачных для лазерного излучения стенок камеры. В камере типа алмазной наковальни поддерживается давление от 5 до 50 ГПа, зависящее от возможностей камеры, а импульс лазерного излучения нагревает очень узкий скин-слой графита до температур 1000 К, достаточных для превращения графита в алмаз. Вследствие больших градиентов температуры в скин-слое и высокой теплопроводности алмаза происходит аномально быстрое охлаждение слоя и превращение его в прозрачный для лазерного излучения алмаз. Длина волны лазерного излучения должна попадать в область прозрачности алмаза от 0,2 до 5 мкм. Следующий лазерный импульс должен нагревать следующий слой графита и превращать его в алмаз, т.е. лазерное излучение стимулирует прорастание прозрачного алмаза в непрозрачный графит. 1 ил.

Изобретение относится к способу производства искусственных алмазов. Хорошо известно, что алмаз обладает уникальными физическими и химическими свойствами. Он является самым твердым и наименее сжимаемым веществом, имеет чрезвычайно высокую химическую стойкость к кислотам, обладает рекордным значением поля электрического пробоя и теплопроводностью, в несколько раз превышающей теплопроводность меди при комнатной температуре. Эти свойства обуславливают широкое применение алмаза в таких областях промышленности, как электроника, машиностроение, производство буровых инструментов и абразивов, камнеобработка, медицина, ювелирное дело и т.п. В настоящее время существует несколько способов синтеза алмазов. Наиболее распространенным способом является кристаллизация алмаза из раствора углерода в расплавленном металле путем поатомной сборки. Этот способ характеризуется низкой скоростью синтеза, не превышающей величину 10 -6 см/с, и присутствием в образующемся алмазе металлических примесей. Другим, близким к первому, является синтез алмаза из некристаллических форм углерода, получаемого термическим разложением углеводородов в конденсированном состоянии. Хотя при этом способе удается избавиться от металлических примесей, скорость синтеза остается такой же низкой, как и в предыдущем случае. К третьему способу можно отнести выращивание эпитаксиальных пленок алмаза из газовой фазы. Получение атомарного углерода в этом случае осуществляется в результате термического разложения углеводородов в газовых смесях с водородом. Для получения паров углерода путем термического разложения углесодержащих веществ иногда используется лазерное излучение, которое в этом случае используется только для испарения углесодержащих веществ. Другой большой класс способов синтеза алмаза относится к так называемой прямой трансформации решетки графита в алмазную. Как установлено, при комнатной температуре при гидростатическом сжатии графита образование алмазной структуры не происходит вплоть до давлений 80 ГПа. Для образования алмазной фазы необходимы дополнительно либо наличие пластической сдвиговой деформации, либо повышение температуры. Образование алмазной структуры при пластической сдвиговой деформации при комнатной температуре наблюдалось в камере высокого давления с алмазными наковальнями, одна из которых могла вращаться. При давлении 19 ГПа и сдвиговой деформации около 3 ГПа в аморфной фазе начинают расти алмазные зародыши. При наличии только одноосного сжатия монокристалла графита при комнатной температуре наблюдается обратимый переход его в аморфную фазу при давлении 13 ГПа. Нагрев сжатого образца при этом давлении выше 1300 К приводит к образованию и росту зародышей лонсдейлита. Образующаяся фаза сохраняется при последовательном снятии температуры и давления. Дальнейший нагрев до 2000 К приводит к переходу лонсдейлита в алмаз. Интенсивные пластические деформации в графите одновременно с его сжатием происходят за фронтами сильных ударных волн, в результате чего при давлениях за фронтом 20-40 ГПа наблюдался фазовый переход графита в алмаз. Однако вследствие сохранения высоких температур за ударной волной после разгрузки образцов происходит практически полный отжиг синтезированного алмаза, т.е. его обратный переход в графит, и выход алмазного порошка не превышает долей процента. Для получения ударных волн, а также ударных сжатий с регулированием температуры предлагалось использовать профилированные лазерные импульсы большой интенсивности 10 12 -10 14 Вт/см 2 , которые, падая на внешнюю сторону мишеней, создают высокие давления за счет реактивной силы испаряющегося материала. Предлагалось также осуществлять нагрев графита импульсом электрического тока со сжатием образцов собственным магнитным полем тока. Однако быстрый отвод тепла и сохранение алмазной фазы в этих предложениях остается достаточно сложной и пока не решенной задачей. Наиболее часто используемым методом быстрого отвода тепла при ударном нагружении служит способ использования смесей графита с порошками металлов, которые в силу меньшей сжимаемости по сравнению с графитом, подвержены значительно меньшему нагреву и играют роль охладителей. При промышленном синтезе алмазов используются меднографитовые смеси с содержанием графита до 8% из которых 75% переходит в алмазный порошок. При этом размер поликристаллов алмаза колеблется от 0,1 до 60 мкм, а средний размер частиц, составляющих поликристалл равен 10 нм. Ударный способ синтеза алмаза с выходом до 50% от массы исходного графита реализуется также в области 6 фазовой диаграммы при ударном сжатии графита в смеси с конденсированными инертными газами (N, He, Ar,) и последующим быстром охлаждении твердой фазы за счет теплоотвода в быстро охлаждающийся при адиабатической разгрузке инертный газ. При этом выход алмаза приблизительно такой же, как и в предыдущем случае смесей графита с металлическими порошками. Прототипом предлагаемого способа синтеза алмаза служит способ превращения графита в алмаз в сжатом состоянии при нагреве импульсом электрического тока. При этом способе статическое давление создавалось в наковальне типа "belt" и достигало 20 ГПа, а максимальная температура могла доходить до 5000 К. Синтез алмаза происходил в графитовом цилиндре высотой 3 мм и диаметром 2 мм, через который пропускался электрический ток в области давлений 10-20 ГПа при температурах 3000-4000 К. Недостатком такого способа является неоднородный прогрев исходного материала и как следствие получение темных поликристаллических образцов алмаза. Предлагаемый способ решает задачу синтеза прозрачных алмазов в больших объемах. В предлагаемом способе, как и в прототипе, сжатие и нагрев графита осуществляются независимо друг от друга. Однако нагрев в предлагаемом способе осуществляется импульсно-периодическим лазерным излучением через прозрачную для него стенку камеры высокого давления, пройдя которую излучение поглощается в очень тонком скин-слое графита. В качестве прозрачной стенки может служить сам алмаз либо другой прозрачный и достаточно прочный материал, например, сапфир или нитрид бора. Для того чтобы лазерное излучение проходило через выращиваемый алмаз, необходимо, чтобы величина кванта фотона h не превышала величины запрещенной зоны алмаза E 0 5,2 эВ, т.е. длина волны лазера должна быть больше 230 нм. С другой стороны, длина волны лазерного излучения не должна заходить в далекую инфракрасную область, где начинается примесное и решетчатое поглощение алмаза, т.е. должна быть меньше 5 мкм. Лазерное излучение в графите поглощается на глубине скин-слоя удельная проводимость графита, частота лазерного излучения. Для Nd-лазера ( = 1,06 мкм) глубина скин-слоя в графите составляет = 0,26 мкм а для XeCl-лазера ( = 0,31 мкм) она составляет 0,14 мкм, т.е. во всем оптическом диапазоне можно считать 0,2 Время остывания тонкого прогретого слоя толщиной по порядку величины равно: t = 2 /a, где a=k/C- коэффициент температуро-проводности, k коэффициент теплопроводности, плотность, C теплоемкость. Толщина нагретого слоя равна d ~ 0,2 мкм подставляя известные значения величин для алмаза k=10 Вт/см град, = 3,5 г/см 3 , C=2 Дж/гград, получаем величину характерного времени остывания слоя T = 1 нс Поведение во времени температуры прогреваемого слоя находится из решения уравнения теплопроводности, решение которого для частотно-импульсного лазерного излучения с импульсами прямоугольной формы (I(t)=I 0 , для 0 < t < o I(t)=0 для остального времени) дает условие нагрева графита в скин-слое до необходимой температуры, которая по порядку величины равна так называемой температуре "графитизации" 2000 К. Это условие имеет вид: I o o 0,1 Дж/см 2 . При интенсивности I 0 50 МВт/см 2 указанная температура достигается за время 2 нс. После остывания нагретого слоя и превращения его в слой алмаза процесс может быть повторен уже для следующего слоя графита с последующим его превращением в новый слой алмаза и т.д. Временной интервал между последовательными лазерными импульсами определяется общим временем отвода тепла в стенки камеры высокого давления и может доходить до микросекунды в зависимости от ее размеров. Средняя плотность мощности лазерного излучения определяется возможностями охлаждения камеры и может доходить до 10 кВт/см 2 . На чертеже изображена общая схема камеры для синтеза алмазной фазы при лазерном облучении графита в сжатом состоянии, где 1 стенки камеры высокого давления; 2 область поглощения лазерного излучения; 3 прозрачная стенка камеры высокого давления. Использование лазерного излучения для нагрева графита (а в более общем случае непрозрачных углеродосодержащих веществ), прижимаемого к алмазу, приводит к качественно новым результатам. Благодаря аномально малой глубине прогреваемого слоя и возникающей вследствие этого большим градиентам температуры, а также вследствие большой величины теплопроводности алмаза тепло из тонкого прогретого слоя уходит в окружающие стенки наковальни за аномально короткие времена. При этом большие градиенты температуры вызывают в материале также касательные напряжения, которые, как показывают опыты, способствуют образованию алмаза. Изменяя интенсивность лазерного импульса, можно создавать в слое графита практически любые температуры от начальной до температур 5000 К и выше. Верхняя граница по давлению в камере определяется типом наковальни, создающей внешнее объемное давление, и для типичных алмазных наковален может достигать нескольких десятков ГПа. Нижняя граница согласно опытам лежит в районе 10 ГПа. После нагрева одного слоя графита и превращения его в алмаз следующий импульс лазерного излучения проходит через образованный алмазный слой и нагревает следующий слой графита и т. д. т.е. процесс может быть многократно повторен, пока весь облучаемый графит не превратится в алмаз. В отличие от нагрева электрическим током лазерное излучение нагревает даже случайно образующиеся в алмазе непрозрачные включения графита, заставляя их превращаться в алмаз. Поэтому предлагаемый способ позволяет получать особо чистые и прозрачные образцы алмаза в больших объемах. Способ осуществляется следующим образом. Графит помещают в камеру давления, одна из стенок которых является прозрачной для лазерного излучения. Давление в камере, например, с помощью гидростатического пресса, поддерживается все время постоянным, на уровне 10 ГПа. Через прозрачную стенку камеры подается импульсно-периодическое лазерное излучение, например, 2-й гармоники Nd-лазера = 0,53 мкм в котором произведение плотности интенсивности в импульсе на длительность импульса удовлетворяет условию I o o 0,2 Дж/см 2 . При интенсивности I 0 50 МВт/см 2 температура 1000 К достигается за время 2 нс. После остывания нагретого слоя за такое же по порядку величины время и превращения его в алмаз следующий лазерный импульс нагревает следующий слой сжатого графита и процесс продолжается до полной трансформации графита в алмаз. После выключения лазерного излучения и снятия давления полученный алмаз вынимается из камеры. Следует отметить, что лазерное излучение, особенно в ультрафиолетовой области спектра, кроме чисто теплового воздействия на графит может способствовать перестройке сжатого графита в алмаз переводя атомы углерода в электронно-возбужденное состояние, тем самым стимулируя перестройку валентных связей, характерную для структуры алмаза. При этом синтез алмаза может происходить без существенного повышения температуры путем фотохимического воздействия лазерного излучения на фазовый переход сжатый графит-алмаз. В последнем случае для синтеза алмаза можно использовать непрерывное лазерное излучение слабой интенсивности. Скорость границы наращивания алмаза можно оценить из соображений размерности: v d = I/(E g N g) где I средняя интенсивность лазерного излучения, поглощенного в графите, E g характерная энергия, необходимая для перестройки одного атома углерода из решетки графита в решетку алмаза, она по порядку величины равна E g = kT g где T g =2000, k температура "графитизации", N g =10 22 см -3 плотность атомов углерода. При средней плотности поглощаемой в графите лазерной мощности в 10 Вт/см 2 скорость роста алмаза должна составлять около 1 мм/с. Величина выращиваемых алмазов определяется только величиной объема, в котором внешним устройством, например, гидростатическим прессом, создается необходимое для синтеза алмаза давление, и в настоящее время может доходить до нескольких кубических сантиметров. Отметим, что предлагаемый способ отличается как высокой скоростью роста, так и высокой чистотой получаемых алмазов, так как не связан с использованием катализаторов и внесением посторонних примесей в процессе синтеза. Он может быть использован для стимулирования роста любого прозрачного для лазерного излучения вещества, находящегося в контакте с непрозрачным материалом, служащего для него исходным продуктом.

Чтобы графит стал алмазом

Изучая свойства драгоценных камней, ученые пробовали нагревать их, чтобы проверить, как поведут они себя при высокой температуре. Почти все камни на глазах меняли свой цвет, и это было удивительно. Но больше всех драгоценных камней удивил исследователей алмаз – он взял да и исчез.

Это произошло в 1694 году, когда ученые Флорентийской академии наук решили проверить, что будет, если нагреть алмаз. Нагревали двумя большими линзами, которые могли с необыкновенной силой концентрировать солнечные лучи. В фокусе температура поднималась до 1000 градусов! И вот стали нагревать камешек алмаза. Он нагревался, нагревался и вдруг на глазах у потрясенных почтенных академиков испарился! Алмаза не было видно, словно он не лежал только что на столе, где проводился опыт. Многие из наблюдавших за опытом решили что это просто фокус. Кто–то даже посчитал, что это проделки темных сил. Исследователей лее это навело на мысль, что алмаз – вещество горючее.

Прошло 80 лет, и французский ученый Лавуазье снова провел опыты с нагреванием различных веществ. На этот раз нагревание производилось одной двояковыпуклой линзой. Лавуазье попробовал нагреть кусок железа, и оно, конечно, расплавилось. Золото поддалось еще быстрее. Ни за что не хотела плавиться платина. Уголь, который был на очереди следующим, сгорел без остатка. Затем Лавуазье поместил в сосуд из тугоплавкого стекла бриллиант. Ученый догадывался, что произойдет с ним. Сверхстойкий Камень должен сгореть. Так и произошло. Бриллиант, страдая от нестерпимой жары, вспыхнул ярким прекрасным пламенем и исчез. Сгорел без остатка.

Теперь нам легко объяснить, почему это произошло. Ведь мы знаем, что алмаз состоит из углерода. Такой же химический состав имеет другой минерал – графит. Только атомы углерода располагаются в нем иначе. При нагревании и графит, и алмаз сгорают, превращаясь в углекислый газ.

Французский ученый Лавуазье

А нельзя ли в таком случае получить алмаз искусственным путем из того же графита? Ведь для того, чтобы он образовался в природе, нужны века. А тут бери графит, перестраивай атомы углерода в таком порядке, какой он бывает у алмаза, – и все готово. Но это только легко сказать. А как это сделать на практике? К каким только ухищрениям ни прибегали, чтобы получить искусственный алмаз. Иногда при нагревании графита или других углеродистых веществ удавалось получить какие–то прозрачные твердые кристаллы. Но потом оказывалось, что ничего общего с природным алмазом у них нет. А ведь алмаз – это не только камень большой ювелирной ценности. Он обладает высокой технической ценностью – это самый твердый природный минерал.

Много было сделано попыток в получении искусственного алмаза. Но лишь в середине XX века пришел к ученым настоящий успех. Это произошло в Швеции. При огромных давлениях и температурах – ведь именно такие условия нужны для образования природного алмаза – был получен первый искусственный алмазик. Для этого использовали мощнейшие прессы. А веществом, которое. превращали в алмаз, был все тот же обыкновенный графит, из которого делают стержни для простых карандашей.

Через два года американским ученым удалось синтезировать алмаз. А в конце 50–х годов XX века алмазные кристаллы получили и наши ученые. Алмаз родился при температуре 2000 градусов, при давлении 50 тысяч атмосфер!

Небольшими и совсем невзрачными были первые искусственные кристаллы царя камней и минералов. Но ведь кроме алмазов–царей, лучистых и служащих для ювелирных украшений, нужны и алмазы–рабочие, которые будут приносить пользу в промышленности. Самая главная задача – наладить их производство в больших количествах. И эта задача была решена.

Теперь в промышленности алмаз почти первый друг и помощник. Непревзойденная твердость алмаза находит тысячи применений. Он нужен при гранении, полировании, шлифовке, заточке, резании, гравировании. Алмазный диск не толще бумаги позволяет измерять температуру звезд: телескоп на борту самолета поднимают в верхние слои земной атмосферы, он фокусируется на звезде, а в это время алмазную пластинку помещают на пути светового луча. Она улавливает тепло далекого небесного тела и передает его датчику* Алмаз очень хороший проводник тепла, и термометры на его основе улавливают тысячные доли градуса.

Алгдазы применяют для передачи сигналов в аппаратах связи. Алмазный кубик величиной с булавочную головку, покрытый тонкой золотой пленкой, входит в мощные передатчики. Именно с помощью них транслируются телевизионные сигналы и ведутся международные переговоры.

Из искусственного алмаза изготавливают сверхострые скальпели, которыми глазные хирурги удаляют катаракты. На таких скальпелях даже под микроскопом с тысячным увеличением не удается разглядеть неровности!

До открытия способа получения искусственных алмазов во всем мире существовали тайные промыслы по изготовлению поддельных алмазов. Поддельные бриллианты называются стразами. Для изготовления стразов использовали свинцово–борное стекло. По составу оно сходно с оптическим стеклом. Чтобы изготовить какой–либо поддельный крупный алмаз искусному мастеру нужно было лишь увидеть сам образец. Искусственный бриллиант мог обмануть взор обычных людей, но на самом деле по свойствам своим он совсем не похож на алмаз. Стразы тяжелее алмаза и, конечно, не такие твердые. Кварц или корунд сразу же оставят на нем царапину, чего истинный алмаз никогда не допустит. И вот еще очень важное отличие: алмаз, сколько ни держи его в руке, всегда будет холодным. А страз быстро согревается. У настоящих алмазов верхняя грань сверкает ярким блеском, а нижняя светится металлическим блеском. Стразы этого делать не умеют.

Ученые нашей страны создали еще один вид искусственных кристаллов, которые очень похожи на натуральные бриллианты. Их называют фианиты. Фианиты трудно переоценить. Сочетание свойств, которыми наградили их создатели, не встречаются ни у одного другого кристалла – натурального или синтетического. Они тугоплавкие, не окисляются и не испаряются при высоких температурах. По твердости уступают лишь алмазу и корунду. Замечательны их оптические свойства – отменная прозрачность и высокое светопреломление.

И, кроме того, фианиты очень красивые. В ювелирных украшениях они смотрятся как чистый бриллиант.

Шахтерская деревушка Бо Рай на юго–востоке Таиланда совсем не напоминает рай. Она напоминает скорее дикий Запад. Покосившиеся лачуги, пыльные улицы, бредущие с кирками и лопатами угрюмые старатели. Люди исподлобья смотрят на каждого гостя этих мест. «Кто ты и что тебе здесь надо?» Бо Рай охвачен рубиновой лихорадкой. На околице деревни – разрытые бульдозерами холмы, копошащиеся в красноватом песке старатели. Среди них женщины и даже дети...

Двое вооруженных пистолетами хозяев шахты наблюдают за рабочими. Ни один камешек не должен пропасть!

Но один человек все–таки пронес мимо стражи великолепный продолговатый рубин стоимостью в 7 тысяч динаров.

Было это на острове Сарандиб в Шри–Ланке. Там находится богатое месторождение рубинов. Этот человек обрил голову и отлил себе колпак из меди. В колпаке он просверлил много–много дырочек, так что колпак был похож на сито. Затем сделал в нем место для драгоценного камня, расширив углубление в области затылка. Он надел этот колпак на голову и не снимал его, пока сбритые волосы не отросли и не выступили из отверстий. Отросшие волосы, пробиваясь сквозь отверстия, обвили весь колпак так, что скрыли его полностью.

Спрятав рубин под колпак, в одежде нищего, опираясь на посох, прошел этот хитрец мимо стражи, и стражники даже не взглянули на пего. Откуда им было знать, что этот нищий – обладатель драгоценнейшего из всех к ору ядов.

На вопрос, что такое «корунд», большинство опрошенных пожмет плечами и скажет, что слыхом не слыхивали, видом не видывали, что это такое. Найдутся такие, что вспомнят: из корундов – природного минерала – получают наждачный порошок, которым чистят металлические изделия. Но если спросить, что такое сапфир, что такое рубин? С этим вопросом большинство справятся блестяще: конечно же, это драгоценные, очень красивые камни. А ведь сапфир и рубин – тоже корунды, или, говоря химическим языком, окись алюминия. В зависимости от того, какие примеси эта окись содержит: хром, железо и другие тяжелые металлы, она обретает различную окраску. Именно они придают корундам различный цвет.

Прозрачные корунды, окрашенные в красный цвет, называются рубинами. Самое необыкновенное в рубинах – их способность излучать свет. В них словно полыхает красное пламя. В чем секрет этого камня? В том, что атомы хрома – та самая волшебная примесь – не только придают рубину его великолепный цвет, но и излучают свет. Они заряжаются энергией солнечных лучей и сами начинают лучиться.

Особенно необыкновенна игра света в рубинах–астериксах. Вот как описывает такой камень в своей повести «Суламифь» А.И. Куприн: «На указательном пальце левой руки носил Соломон гемму (т. е. камень с резным украшением – авт.) кроваво–красного цвета, извергавшую из себя шесть лучей жемчужного цвета. Много сотен лет было этому кольцу, и на оборотной стороне его камня вырезана была надпись: „Все проходит”».

Астерикс с его жемчужными лучами – не вымысел писателя. Просто среди рубинов изредка встречаются камни с включениями не хрома, а другого минерала – рутила. Рутил делает рубин еще драгоценнее. В таких камнях отчетливо видно сияние многолучевой звездочки.

Имя свое рубин получил из–за своего цвета – по–латыни «рубин» означает – «красный». С древности почитали рубин на Востоке. Он был и желанным украшением, и талисманом. Названия его – «ратнарадж» и «ратнаярк», «царь самоцветов» и «вождь самоцветов» – говорят о том, как относились к рубину народы Индии. В старинном индийском предании рассказывается: «Яркое солнце Юга несет живые соки великого Асура, из которого рождаются камни. Налетает ураганом на них вечный соперник богов, царь Ланки... Падают капли тяжелой крови на лоно реки, в глубокие воды, в отражение прекрасных пальм. И называлась с тех пор река Раванангой, и загорелись с тех пор капли крови, превращенные в камни рубина, и горели с наступления темноты сказочным огнем, горящим внутри, и пронизывали воду этими огненными лучами, как лучами золота».

Самыми ценными рубинами считаются камни красного цвета с легким фиолетовым оттенком. Меньше ценятся коричневые рубины. Лучшие камни добываются из месторождений Бирмы. Они кроваво–красного цвета, так называемого цвета «голубиной крови»; если в них есть темные тона, то их называют рубинами «бычьей крови»; если светлые – просто вишневыми рубинами.

Красивые крупные рубины встречаются в природе намного реже алмазов. Например, за 100 лет, с 1870 года по 1970 год, было найдено свыше 300 кристаллов алмазов с массой более 200 карат. А таких же рубинов – всего несколько штук.

История особенно знаменитых рубинов, так же, как и алмазов, полна кровавых тайн.

Уже шесть Ееков известен «Рубин Тимура», весом 352 карата. На этом камне выгравировано шесть надписей. Были и еще три надписи, однако новые хозяева вывели их, чтобы камень не напоминал о прошлом. Из одной надписи ясно, что в 1398 году хозяином его стал великий предводитель монгол Тимур. В России и Европе его называли Тамерлан. Камень стал его военной добычей при захвате Дели. Наследником этого грозного полководца был сын Тимура Шахрух. Его имя тоже было начертано на камне. Шахруха сменил.последний из династии Тимура Мухаммед Улугбек, известный астроном. Это случилось в 1447 году. Эта дата и имя Улугбека сохранились в надписи на кристалле.

Улугбек был любимым правителем самаркандцев, но правил он недолго. Через два года он был убит по приказу собственного сына. После его смерти власть перешла к новой династии – семейству Сафави. И рубин, словно императорская корона, вместе с властью перешел к шаху Сафави. А что было дальше? И об этом рассказывают надписи на рубине. Один из шахов новой династии Аббас Сафави подарил «Рубин Тимура» Великому Моголу Джахангиру. Он повелел начертать на камне свое имя и имя отца, Великого Акбара. Его сменил шах Джахан. Этот шах любил возводить прекрасные дворцы, мечети и другие архитектурные шедевры. Например, он построил в городе Агре великолепный мавзолей Тадж–Махал, памятник любимой жене. Другое его знаменитое сооружение – Павлиний трон в зале приемов в Дели. Он был украшен, можно сказать усеян, драгоценными камнями. Среди них полыхал красным пламенем «Рубин Тимура».

Следующее имя на камне – шах Джахан. Он был свергнут своим сыном Аламгиром. И тот немедленно выгравировал на рубине свое имя. Но вот могущество Великих Моголов стало ослабевать и, наконец, во время правления шаха Мухаммеда династия пала. В 1739 году шах Надир вторгся в Индию и захватил Дели. Много добычи вывез он из этого города, в том числе и «Рубин Тимура», хранивший летопись времен. Долгое время он находился в Лахоре. А в XIX веке был поднесен хозяевами Ост–Индской кампании английской королеве Виктории.

Второй очень знаменитый рубин из сокровищ британской короны – «Черный принц». «Черным принцем» называли сына английского короля Эдуарда III, и камень получил свое название именно от него. Первое упоминание об этом рубине относится к 1367 году. Тогда им владел правитель Гранады. В битве при Нагере, в Северной Испании, сын Эдуарда III спас испанцев от поражения и в награду получил драгоценный рубин. Этот камень имеет неправильную форму, длина его около 5 сантиметров. Но цвет и свет его лучей необыкновенны. «Черный принц» знаменит не только своей красотой. Однажды он спас жизнь английскому королю Генриху V. В одной из битв удар меча пришелся прямо по камню, который украшал шлем короля.

Сейчас рубин «Черный принц» хранится как особая ценность английских королей.

«Вот рубин, он врачует сердце, мозг, силу и память человека...» – говорится в одном древнем манускрипте. Египтяне считали, что рубин обнаруживает яд, хранит от колдовства и излечивает головную боль. Китайские хироманты и до сих пор по рубину предсказывают будущее.

Самые большие месторождения рубина нашли в Бирме, Таиланде, Танзании и на Шри–Ланке, том самом острове, с которого человек в медном колпаке вынес красный продолговатый рубин стоимостью 7 тысяч динаров.

Из книги Энциклопедический словарь (Г-Д) автора Брокгауз Ф. А.

Из книги Практическое пособие по охоте за счастьем автора Ильин Андрей

Глава 39. Она же послесловие, в котором автор, отбросив присущее ему чувство скромности, начинает хвастаться, но не для того, чтобы ублажить свое самолюбие, а чтобы на примере своей жизни доказать действенность предложенной им методологии Да. Увы. Приходится.Потому что

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ГР) автора БСЭ

Из книги Большая Советская Энциклопедия (СИ) автора БСЭ

Из книги 100 великих загадок XX века автора Непомнящий Николай Николаевич

Из книги Новейшая книга фактов. Том 2 [Мифология. Религия] автора Кондрашов Анатолий Павлович

Из книги 100 великих рекордов авиации и космонавтики автора

Из книги Зарубежная литература древних эпох, средневековья и Возрождения автора Новиков Владимир Иванович

Как разведчик стал исследователем Что же касается шаров-шпионов, то для уничтожения их свыше 30 лет назад на Экспериментальном машиностроительном заводе в подмосковном Жуковском под руководством В. М. Мясищева началась разработка противостратостатного высотного

Из книги Невероятные приключения русских, или Азиатское притяжение автора Новикова Олеся

Убить собаку, чтобы образумить мужа (Госпожа Ян убивает собаку, чтобы образумить мужа) - Китайская классическая драма Эпоха Юань (ХIII-ХIVвв.) На день рождения купца Сунь Жуна должны прийти только два его задушевных друга, два прохвоста - Лю Лунцин и Ху Цзычжуань. Жена,

Из книги Я познаю мир. Авиация и воздухоплавание автора Зигуненко Станислав Николаевич

ГЛАВА 15. Путешествовать, чтобы есть или есть, чтобы путешествовать? Четыре месяца в пути. Таиланд, остров Пукет, в компании русских ребят-гидов ужинаем в местное кафе.- Что за блюдо ты заказала?- Это же Пад Тай Кунг - жареная лапша с креветками! Одно из самых популярных

Из книги Наркомафии [Производство и распространение наркотиков] автора Белов Николай Владимирович

Как истребитель стал бомбардировщиком Все самолеты, как правило, имеют каждый свою специальность. Пассажирские возят людей, грузовые - почту и различные грузы, сельскохозяйственные - ведут опрыскивание посевов с воздуха удобрениями и ядохимикатами...Еще больше

Из книги Дерзкая книга для девочек автора Фетисова Мария Сергеевна

Как я стал наркокурьером Профессия журналиста относится к довольно опасным, особенно если работать в горячих точках. Причем неприятности могут свалиться совершенно неожиданно. В свое время много шуму наделала история с задержанием российского журналиста Алексея

Из книги Я познаю мир. Драгоценные камни автора Орлова Н.

1. Как волк стал собакой Археологи находят типично собачьи кости на ископаемых стоянках первобытных людей давностью около 18–20 тысяч лет. На более древних стоянках собачьих костей нет, но есть, и в изобилии, кости волков. И не исключено, что это был уже сильно одомашненный

Из книги Я познаю мир. Оружие автора Зигуненко Станислав Николаевич

Чтобы графит стал алмазом Изучая свойства драгоценных камней, ученые пробовали нагревать их, чтобы проверить, как поведут они себя при высокой температуре. Почти все камни на глазах меняли свой цвет, и это было удивительно. Но больше всех драгоценных камней удивил

Из книги Мир вокруг нас автора Ситников Виталий Павлович

Как пистолет стал пулеметом Эта история явно заслуживает отдельного рассказа. В фильмах о Великой Отечественной войне можно часто увидеть, что красноармейцы вооружены автоматами ППШ с круглыми дисками (правильнее их называть пистолетами–пулеметами Шпагина), а

Из книги автора

Что общего между карандашом и алмазом? Кому-то этот вопрос может показаться странным. Все знают, что алмаз – это драгоценный камень, самый твердый из существующих на Земле минералов. А карандаш – самый обычный предмет, который мы можем выбросить, даже не исписав до конца.

Чтобы сделать алмаз...

Кто незнаком с алмазом - этим чемпионом в мире кристаллов? Нас восхищает феерическая игра света на гранях отшлифованного алмаза (бриллианта), поражает его непревзойденная твердость. Размер кристаллов обычно невелик (2 - 5 мм), но попадаются и крупные образцы. Самый большой из всех добытых алмазов весил 605 г, или более 3000 карат (карат - 0,2 г).

Можно добавить, что за все времена по 1947 г. было найдено 80 т алмазов (подсчитано, что в месторождениях находят 0,2-0,3 карата алмазов на 1 мг породы).
Итак, алмаз - это драгоценный камень. В 1797 г. С. Теннант определил его химический состав. Оказалось, что он, так же как и графит, состоит из чистого углерода.
Мы знаем, что некоторые химические элементы могут существовать в виде двух и более простых веществ. Так, атомы кислорода способны соединяться по два (газ кислород) и по три (газ озон), фосфор дает двух- и четырехатомные молекулы. Это происходит потому, что атомы образуют молекулы разными способами (аллотропия). В графите атомы углерода соединены в шестиугольники, которые слоями лежат друг на друге, причем расстояние между слоями равно 3,4 А. В алмазе те же атомы углерода расположены в углах тетраэдра, длина ребра которого равна 1,54 А (рис. 1). Какие же условия необходимы, чтобы атомы углерода изменили свое расположение и графит превратился в алмаз?
Алмазы образуются в толще Земли при высоких давлениях и температурах. Там они кристаллизуются, а затем в результате извержений порода, в которой они находятся, выбрасывается к поверхности Земли. Можно ли этот процесс повторить искусственно?
Ученые установили, что если нагреть алмаз в среде инертного газа до высокой температуры, он превратится в графит. Температура этого перехода зависит от давления. Чем выше давление, тем при большей температуре устойчив алмаз.
Оказалось, что алмаз устойчив только при высоких давлениях, начиная от 10 ООО атм при комнатной температуре и до сотен тысяч атмосфер при тысячах градусов.
Много лет изобретатели, ученые и просто охотники до наживы проводили сотни экспериментов, пытаясь превратить графит в алмаз, но безуспешно.
Теперь нам ясно, в чем дело. Оказалось, что при низких температурах скорость перехода графита в алмаз так мала, что нужны миллионы лет, чтобы получить хоть крупицу алмаза. По-видимому, успеха можно было ждать только при высоких температурах. Но при этом нужны были и очень высокие давления.
Теперь, прежде чем продолжить рассказ об алмазе, вспомним, что такое давление.
Давление - это сила, приложенная к единице площади. Вес человека, распределенный на площадь его подошв, - это давление. Сила, с которой нажимает наперсток, приложенная к площади кончика иглы,- это давление. Вычислим его. Предположим, что диаметр кончика иглы равен 0,01 мм, или 10~3 см (а это еще тупая.игла). Тогда площадь кончика равна 0,785 10~6 см2. Если наперсток нажимает на иглу с силой всего в 1 г, то давление под кончиком будет 1275 кг/см2, или 1275 технических атмосфер. Жало комара еще тоньше, чем игла, и понятно, почему оно легко прокалывает кожу.
А что представляет собой атмосферное давление? Это вес воздуха, приходящийся на единицу площади. На уровне моря на 1 см2 поверхности давит сила около 1 кгс. Отсюда и пошло обозначение: техническая атмосфера - это 1 кгс/см2. Под водой давление
возрастает на каждые 10 м глубины приблизительно на одну атмосферу. В толще Земли давление растет еще быстрее. На глубине 150-200 м оно уже достигает десятков тысяч атмосфер, а в центре Земли - нескольких миллионов.
А вообще каков предел величины давления? Нижний предел - это абсолютный вакуум. В пространстве, где нет ни одной частицы вещества, давление равно нулю. А верхний предел?
Попробуем представить себе ящик, стенки которого могут выдержать любое давление. Начнем нагнетать в него газ. Молекулам в ящике станет теснее. При некоторой плотности газ превратится в жидкость. Если продолжать накачивание, количество молекул в ящике станет еще больше, расстояние между ними будет сокращаться. Молекулам будет все труднее двигаться в ящике, возрастет вязкость газа, и при давлении около двадцати тысяч атмосфер он затвердеет. Продолжим сжатие. При давлениях в десятки тысяч атмосфер молекулы подойдут так близко друг к другу, что это начнет мешать электронам двигаться вокруг ядер. Появятся изменения в электронных оболочках.
Более половины химических элементов устроено так, что на их внутренних электронных орбитах есть свободные места. При дальнейшем сжатии (до сотен тысяч атмосфер) электроны в таких атомах начнут сдвигаться на свободные места поближе к ядру. При этом обычные химические свойства элементов настолько изменяются, что можно даже будет построить новую периодическую систему элементов.
При давлениях в миллионы и более атмосфер может оказаться, что электронам удобнее двигаться не вокруг отдельных ядер, а в виде электронного газа возле всех ядер: вещества переходят в металлическое состояние.
В настоящее время уже умеют сжимать до очень высоких давлений и газы, и жидкости, и твердые тела. Самые высокие давления достигнуты при сжатии твердых тел в аппаратах, построенных по принципу молота и наковальни (ведь обычные молот и наковальня остаются при ковке целыми, а кусок железа меняет свою форму). Из очень твердого сплава изготовляют две наковальни и помещают их между плитами мощного гидравлического пресса (рис. 2). Между наковальнями находится тонкий слои исследуемого вещества.

При сжатии плит в веществе развивается огромное давление. Если диаметр наковальни равен 1,6 см, то, сжав плиты с силой 1000 т, можно достичь давления в 0,5 млн. атм (вспомним наперсток и иголку).

Используя такой принцип и создали аппараты, в которых были впервые получены алмазы (рис. 3). Он состоит из многослойного кольцевого сосуда. Внутренний слой сделан из сверхтвердого сплава. На этот слой надеты пояса (бандажи) из твердой стали, мягкой стали, меди и пояс, в котором циркулирует охлаждающая вода. Такое чередование материалов уменьшает опасность разлета осколков, если аппарат разрушится. Сверху и снизу аппарат закрыт многослойными крышками. Внутренние части крышек - это штампы из сверхтвердого сплава. На конусные части штампов надевают прокладки из пирофиллита (минерал - алюмосиликат железа). Он обладает свойством становиться эластичным при высоких температурах и давлениях. Внутрь кольцевого сосуда вставляют контейнер из пирофиллита, в котором находится графитовый стержень и катализатор. При нагревании катализатор плавится, графит растворяется в расплаве и его перестройка в алмаз происходит легче.
Все три части аппарата собирают, вставляют в гидравлический пресс и начинают увеличивать давление. Пирофиллит заполняет все неплотности между штампами и кольцевым сосудом и предотвращает падение давления.
Чтобы нагреть содержимое контейнера, через штампы пропускают ток большой мощности. Штампы изолированы от пресса и соединены металлическими прокладками с графитовым стержнем в контейнере. Ток, проходящий через эту электрическую цепь, может нагреть графит до 3000°.
Проходят десятки минут... Процесс закончен. Внутри контейнера уже не графит, а кристаллики алмаза. Аппарат охлаждают, снижают давление и из контейнера вынимают массу, в которой находится алмаз.
Почему же алмаз, вынутый из аппарата, не превращается опять в графит? Ведь он в обычных условиях неустойчив? Дело снова в скорости процесса: он так замедлен, что мы не можем его заметить.
Итак, алмаз получен. Это мелкие кристаллы, которые выросли в течение минут, а не веков, понадобившихся для роста крупных кристаллов природного алмаза. Их нельзя использовать для изготовления украшений. Но они очень нужны.
Алмаз - самое твердое вещество. Поэтому из него изготовляют резцы, сверла, фрезы, шлифовальные круги, буровые коронки, фильеры для волочения проволоки и т. д. Алмазные инструменты обрабатывают самые твердые сплавы с необычайной скоростью и чистотой. Техника и промышленность очень нуждаются в алмазах. И сейчас налажено производство искусственных алмазов для технических целей.
С помощью высоких давлений удалось создать боразон - кристаллический нитрид бора, по твердости сравнимый с алмазом и применяющийся для обработки сверхтвердых веществ и сплавов. Искусственный кварц, который также получают под давлением, нашел применение в радиотехнике.
Что же касается ювелирных алмазов, то придет и их время. Для этого нужно создать аппараты, в которых можно будет поддерживать высокие давления и температуры неограниченно долго, чтобы создать условия для медленного роста крупных кристаллов. Но это дело будущего.

Д.С. Циклис

Размещение фотографий и цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.