июня
2017
Недавно мы рассматривали историю производства выращенных в лаборатории бриллиантов и посмотрели, как она начиналась в конце 1800-х годов. Хотя за последние несколько десятилетий оборудование для выращивания бриллиантов в огромной мере улучшилось, нынешняя методология не очень отличается от той, что была в 1950-е годы, когда GE первой начала массовое производство синтетических бриллиантов технического качества. В настоящее время существует два основных метода производства бриллиантов, с которыми знакомы большинство людей в отрасли. Но существуют и другие процессы, которые сейчас являются дорогостоящими и не могут использоваться для массового производства бриллиантов любого качества. Но по мере совершенствования технологии и по мере того, как для производства бриллиантов начнут применяться другие технологии, предназначенные для других отраслей, мы сможем еще увидеть новые достижения. Давайте поближе рассмотрим, как бриллианты синтезируются в лабораториях в настоящее время.
Метод высокого давления при высоких температурах (НРНТ) является самым распространенным в настоящее время для производства бриллиантов. На самом деле, именно с этим методом экспериментировали самые первые исследователи. Как видно из названия, при методе НРНТ стремятся воссоздать давление и температуру, существующие в недрах Земли, где формируются алмазы. Для этого обычно требуется давление свыше 5 Гпа (гигапаскаль) и температуры свыше 1500оС. Для метода НРНТ необходим кристалл-затравка, на котором будут расти последующие слои углерода до тех пор, пока он не достигнет нужного размера, имитируя фактический процесс роста в недрах Земли. Источник углерода вводится в раствор металла. При нагревании метал расплавляется и растворяет углерод, который затвердевает в алмаз под огромным давлением. Процесс охлаждения необходимо точно отслеживать и контролировать для достижения нужного роста.
В настоящее время существует три основных конструкции прессов, используемых в производстве бриллиантов методом НРНТ. Первый – это ленточный пресс, который первоначально был сконструирован Трейси Холлом (Tracy Hall), инженером GE, в 1954 года. В ленточном прессе две плиты оказывают давление сверху и снизу на ленту сжатых стальных полос, и в это же время через сталь пропускают электрический ток. В более современных ленточных прессах используется противоположное гидравлическое давление, а не стальные полосы, для управления усилием бокового давления. Нынешние ленточные прессы обычно гораздо больше, чем те, что использовались компанией GE в 1950-е годы, но принцип в основном тот же самый. Вторая конструкция пресса – кубический пресс, в котором шесть плит одновременно подают усилие к емкости кубической формы, содержащей алмазную затравку и металлическую среду. Кубический пресс может создавать алмаз довольно быстро по сравнению с ленточным прессом, но он менее эффективен при производстве крупных алмазов из-за экспоненциального повышения давления, необходимого при увеличении объема среды в кубической емкости.
Вероятно, самой распространенной конструкцией пресса является устройство типа BARS, или «разделённая пополам сфера». Он оказался наиболее экономичной, компактной и эффективной конструкцией пресса для использования при выращивании кристаллов алмазов, а также является эффективной для выращивания крупных алмазов, иногда размером свыше 10 каратов. Первоначально изобретенный российскими учеными в конце 1980-х годов, он может достигать давлений около 10 ГПа и температуры до 2500°C. В центре «сферы» находится цилиндрическая капсула, которая может достигать размера до одного кубического дюйма и изготовлена из материалов, передающих давление. Эта капсула окружена шестью внутренними плитами из карбида вольфрама, которые хорошо подогнаны для образования двусторонней пирамиды. Эта пирамида сама помещается в другой комплект стальных плит, образующих две полусферы (отсюда термин «разделенная пополам сфера»). Все устройство помещается в корпус в виде тороидальной камеры диаметром один метр. Этот корпус затем заполняется маслом, нагретым до крайне высоких температур. Расширение масла создает необходимое усилие и оказывает давление на устройство для того, чтобы вызвать рост алмаза.
Вторым самым распространенным процессом для производства синтетических бриллиантов является метод химического осаждения из газовой фазы (CVD). Вообще, CVD не подходит для производства бриллиантов для ювелирной отрасли, поскольку CVD-алмазы имеют тенденцию расти в более плоской «многослойной» структурой, а не в сферической модели, необходимой для полировки драгоценного камня. CVD имеет много потенциальных областей применения в полупроводниках и оптических приборах, поскольку алмазы, которые производятся с помощью этого метода, могут расти на большей площади и на других подложках. При методе CVD требуется гораздо меньшее давление, чем при методе НРНТ, часто всего 27 КПа, или 0,0005% от давления, необходимого при НРНТ. Внутри камеры CVD к среде добавляются газы, основанные на углероде, обычно метан, и производится их нагрев до нескольких сотен градусов Цельсия. Это вызывает распад газов и выделение из них атомов углерода, которые по существу «выпадают в виде дождя» на подложку с затравкой в виде алмаза. За счет такого выделения углерода образуется алмаз слой за слоем, по несколько микрометров в час. Большинство алмазов, производимых с помощью CVD, имеют черный или коричневый оттенок и должны пройти другие виды обработки по улучшению цвета, обычно НРНТ, чтобы получились бесцветные камни. CVD имеет преимущество производства более чистых алмазов с химической точки зрения. Но сейчас его возможности по достижению крупномасштабного производства ограничены и поэтому он не очень хорошо подходит для ювелирной отрасли.
Детонационный синтез является методом, при котором стремятся повторить то, что наблюдается на местах метеоритных катастроф в мире, которые показали, что алмазы могут создаваться непосредственно при мощном взрыве. На самом деле, большая часть исследований детонационного синтеза держалась в секрете, поскольку производство алмазов нано-размеров было часто неожиданным результатом военных исследований влияния закрытых взрывов. Когда взрывчатка на основе углерода детонирует в закрытом пространстве, ударная волна, вызванная взрывом, создает необходимое давление и нагрев для превращения углерода в алмаз. Это обычно приводит к образованию чрезвычайно мелкодисперсного алмазного порошка, и каждый кристалл имеет диаметр около 4 нм. Хотя эти мельчайшие кристаллы алмаза, конечно, не применяются в ювелирной отрасли, они имеют значительное применение для производства абразивов и покрытий. Детонационные алмазы массово производятся в Китае, России и Беларуси и начали поступать на рынок в больших объемах около 15 лет назад.
Еще один способ синтеза алмазов происходит на его ранних стадиях развития, но он имеет несколько уникальных преимуществ перед другими методами производства, которые требуют создания значительных количеств энергии. В ультразвуковой кавитации используются свойства звуковых волн, распространяющихся в жидкости при комнатной температуре и при нормальных атмосферных давлениях. Прохождение ультразвука через жидкость может вызвать некоторые очень чрезвычайные эффекты в нано-масштабе. Ультразвук большой интенсивности вызывает чередующиеся циклы высокого и низкого давления, приводящие к образованию небольших вакуумных пузырьков, или пустот, в жидкости. Когда эти пузырьки достигают объема, при котором они больше не могут поглощать энергию, они резко схлопываются (происходит кавитация) и локально создаются высокие температуры и давления. Когда к жидкости добавляется раствор графита, можно синтезировать необходимые состояния для превращения графита в алмазы нано-размера. Ультразвуковая кавитация находится все еще в основном в стадии исследования и разработки. Но ученые достигли прогресса в разработке новых веществ, сочетающих алмазы с другими материалами. Это может привести к разработке новых неожиданных продуктов для будущих применений, которые превзойдут наши ожидания.
Нет сомнения в том, что этот синтез алмазов прошел большой путь в последние годы. В настоящее время массовое производство для ювелирных изделий по недорогой цене не занимает умы исследователей. Но новые разработки непременно появятся, возможно, в результате необычных источников исследования. Принимая во внимание то, что так много компаний участвуют в разработке синтетических бриллиантов, это только вопрос времени, когда мы увидим эти преимущества крупных экономических объектов. Автор: Эхуд Арие Ланиадо. ehudlaniado.com Перевод Rough&Polished
