Главная › Дети › Что такое синтетический алмаз. Технология выращивания искусственного камня

Что такое синтетический алмаз. Технология выращивания искусственного камня

Приветствуем, дорогие наши! У всех на слуху известная фраза «Лучшие друзья девушек – это бриллианты». Это не просто побрякушки-однодневки, а самое долговечное вложение, оно же, по совместительству, и фешенебельное украшение. Ценой ему порой целое состояние, на которое копить долго, а ждать в подарок от случайного богатого поклонника и вовсе глупо. Но есть отличная альтернатива – искусственный бриллиант, который внешне от настоящего не отличается, а стоит в разы дешевле.

Сегодня вы узнаете не только о видах и способах получения этого камня в искусственно созданных условиях, но и попробуете изготовить его сами дома…в микроволновке!

Всех интересует, как называется в ювелирном мире камень, созданный не природой, а человеческими руками. «Очевидно же – подделка», — скажете вы и ошибётесь. Дело в том, что нужно отличать кустарное производство фальшивок и высокотехнологичный процесс, поэтапно повторяющий появление драгоценного самоцвета. Для этого используется дорогое оборудование и качественное сырье. Как результат – идеальный бриллиант, который даже опытный специалист не отличит от природного.

Общие черты натурального и синтетического алмаза

Потоковое производство этих камней двояко отразилось на камнедобывающей промышленности. С одной стороны, «брат-близнец» настоящего бриллианта решил проблему дефицита натуральных камней. С другой – у нечистых на руку продавцов появилась возможность выдавать «искусственники» за настоящий камень и зарабатывать на этом огромные деньги.

О том, как отличить искусство природы от мастерства современной алмазной промышленности, узнаем чуть позже, ну а пока об общих чертах бриллиантов искусственных и натуральных.

Они почти идентичны по:

Физическим свойствам, атомной структуре, химическому составу;
Прозрачности, степени теплопроводности, чистоте кристаллической решётки;
Исходному сырью для изготовления (кристаллизованный чистый углерод);
Внешнему виду.

Если вам подарят кольцо с «брюликом» и будут уверять, что это ни что иное, как «золото-брильянты», вы ни за что не заподозрите обмана. Даже опытный ювелир под лупой порой не разглядит следов искусственного происхождения камушка, особенно если он белый, ведь прозрачный искусственный бриллиант без примесей других цветов от натурального не отличить.

Многогранная палитра синтетических алмазов

Полностью прозрачный алмаз считается самым редким и дорогостоящим. Хотя камни с оттенками тоже пользуются спросом и притягивают взгляд своей завораживающей красотой.

Сегодня в мире производят несколько видов цветных искусственных бриллиантов:

Голубые (от бледного до насыщенного небесного оттенка, который получают при помощи добавления в состав бора; достигают 1,25 карата);
Желтые (от светло-лимонного до насыщенного ярко-желтого и даже оранжевого; эту палитру формирует азот; такие бриллианты могут достигать 2 каратов и выращивать их намного проще, нежели голубые);
Розовые, красные, сиреневые, зеленые (в зависимости от добавления в процессе обработки разных примесей, можно получить алмазы самых невероятных оттенков).

Немного истории про искусственные бриллианты

Первые «фальшивки», заменители натуральных бриллиантов, были зафиксированы еще в 1920 году.

Чарльз Парсонс изобрел прототип нынешнего синтетического кристалла. Он был настолько великолепно исполнен, что попал в колье знаменитой Сибиллы Шепард. Украшение впоследствии стало одним из реликвий Британской империи. Интересно, что повторить тот самый первый «фальшивый» алмаз пока больше не удалось никому, хотя сам автор был не слишком доволен своим творением.

Перед Второй мировой войной две компании из США решились на массовое производство бриллиантов. В лабораторных условиях они провели первый эксперимент с использованием углерода. На исходный материал воздействовали давлением и высокими температурами. Пыл изобретателей утих на время войны, хотя многие исследователи уверены: алмазы нужны были именно для военных нужд, а затем надобность в них отпала.

Известен своими бриллиантами и QUINTUS, проект шведских бизнесменов. Именно ему принадлежит огромная партия камней. Использовали их в основном в промышленности, так как для создания украшений они были не слишком красивы, даже грубоваты, и до ювелирной эстетики не дотягивали.

Первый драгоценный алмаз был создан в Токио в 1997 году. Он был дымчатым, с переливами и характерным для настоящего камня желтоватым оттенком. Сегодня у Японии в руках около 8% всего мирового производства бриллиантов. «Монстрами» в сфере синтеза камней по праву считаются США и Китай.

Теперь же это поставленное на поток производство, позволяющее любителям драгоценностей сверкать шикарными украшениями. Выращенные в «инкубаторских» условиях камушки вставляют в кулоны, перстни, декорируют ими одежду и обувь. При этом стоимость их не так сильно ударяет по бюджету.

Владельцы крупных ювелирных сетей не очень разделяют восторг по поводу массового заполонения рынка «фальшивками». Предполагается, что они потеряют более 15% прибыли от продажи природных камней.

Если вы привередливы и желаете иметь именно настоящие бриллианты, готовы платить за их природное происхождение, советуем знать «в лицо» все их синтетические заменители.

Двойники алмаза и как отличить от природного «ненастоящий» камень

Один из самых распространенных в наше время фальшивых алмазов – это фианит. Впервые он был получен в 1976 году и представляет собой диоксид циркония. Переливаются фианиты точь-в-точь, как настоящие бриллианты, и в современной ювелирной промышленности используются повсеместно. Обычно продавцы указывают название камушка на ценнике, но недобросовестные торговцы могут выдать его за драгоценный. Как отличить фианиты от природного алмаза? Очень просто: нужно взвесить два одинаковых камня (натуральный и заменитель). Настоящий будет весить больше за счет большей плотности, тогда как фианит окажется более легким.

Считается, что последний можно вычислить и с помощью ультрафиолетового излучения. При его воздействии фианит обретает зелено-желтый оттенок.

Муассанит – это более дорогостоящий аналог алмаза. Отличить их практически невозможно. Научное название муассанита – карбид кремния, который на современном оборудовании преображается в великолепный сияющий самоцвет.

Первооткрыватель этого камня – Генри Муассан, был удостоен Нобелевской премии. Он первым нашел в кратере вулкана фрагменты метеорита, которые впоследствии стали сырьем для алмазного производства.

Как же распознать этого «двойника» и не обмануться при покупке? Натуральный бриллиант, как ни странно, не идеален внешне. Его поверхность чуть шероховата, в отличие от гладкой оболочки муассанита. Если присмотреться, то можно обнаружить чёрный отблеск фрагментов алмаза, тогда как в синтетическом камне никаких чужеродных включений нет.

Среди прочих заменителей бриллианта сегодня в ходу циркон, белый сапфир и топаз, гранат алюмоиттриевый.

Ну и нельзя не сказать о всем известных «стекляшках» или стразах. Ранее их делали из натурального горного хрусталя, а теперь из простого стекла и полимеров. Еще в 18 веке Георг Фридрих Страсс придумал наносить металлическую пудру на нижнюю сторону хрусталя, чем достигался зеркальный алмазный эффект. Настоящие стразы сегодня отнюдь не считаются дурным тоном. Чего стоят знаменитые изделия от Сваровски, которые стремятся заполучить в свою коллекцию все известные красавицы мира!

Не стоит недооценивать все виды заменителей, они имеют свою ценность в ювелирном мире. К тому же их производство – очень трудоемкий процесс, который позволяет получить на выходе великолепные экземпляры, не уступающие натуральным камушкам в эстетических качествах.

Жар, газ и давление

Давайте чуть углубимся в сам технический процесс, а затем узнаем, как получить бриллиант в домашних условиях. Освоим, так сказать, профессию технологов-ювелиров, чтобы понять, насколько это сложная и кропотливая работа.

Сегодня выделяют два способа производства алмаза в условиях лаборатории.

В специальную капсулу помещают алмазную пудру, которая растворяется под действием давления и высоких температур. Затем происходит процесс кристаллизации, который занимает до нескольких месяцев. Как результат – алмазы с кубическими гранями, отличные от настоящих не только по форме, но и по самому процессу роста.
Второй способ предполагает также наличие камеры, заполненной газом. При воздействии потоков энергии молекулы газа в вакууме разрушаются, а атомы углерода оседают внутри капсулы в виде пластин. В достаточно большой камере за несколько недель можно вырастить десятки алмазов. Они будут слоистыми, с шероховатыми чёрными краями. Иногда камни при этом методе получаются с коричневым оттенком, но все примеси хорошо очищаются в процессе термической обработки. Затем мастера приступают к огранке.

Растим бриллиант дома

Как видите, процесс очень интересный, хорошие мастера зарабатывают в алмазной промышленности баснословные суммы. Готовы попробовать себя в этой профессии? Тогда приступаем к нашему эксперименту.

Нам понадобится:

Микроволновая печь;
3 стержня простого карандаша (графита), около 3 мм толщиной;
15 см х/б нитки;
2 кружки;
Оливковое масло.

А теперь само действо:

В небольшое блюдечко накапайте немного оливкового масла, по периметру его положите нитку, чтобы она адсорбировала излишки.
Теперь нитку чуть приподнимите и завяжите в слабый узелок. В него пропустим графитовый стержень. Его можно положить на 2 зубочистки, чтобы он был чуть выше поверхности масла. Можно аккуратно потянуть за оба конца нити, завязав плотный узелок. Оставьте всю эту конструкцию на полчаса.
Микроволновку хорошенько вымойте и высушите, там не должно быть остатков еды или пыли.
Переверните кружку и установите ее в микроволновую печь. На нее положите два оставшихся стержня, а поперек них – подготовленный масляный. Накройте сверху второй кружкой. Включите печку на максимальную температуру и время.
В финале нетронутыми останутся непромасленные стержни, а участок, который был пропитан, расплавится и на его месте образуется бриллиант. Трогать руками конструкцию сразу нельзя, иначе рискуете заполучить ожог.

Можете любоваться собственным творением, и пусть это создание напоминает не совсем драгоценность, а скорее, поделку из набора «юный химик», зато вы познали азы «камнеобработки» и «алмазодобычи».

Как правильно выбирать

В деле покупки драгоценностей каждого из нас едва ли можно назвать экспертом, поэтому лучше если вы будете приобретать украшения в проверенных ювелирных магазинах известных торговых сетей.

Согласитесь, купить вместе алмаза его подделку из стекла не слишком приятно. Считается, что все настоящие бриллианты имеют специальную маркировку. К тому же они весят больше синтетических и имеют иную кристаллическую решетку. Фальшивки порой более безупречны внешне, без примесей и с идеально гладкой поверхностью, они могут реагировать на сильные магниты, поэтому на всякий случай перед покупкой проведите эксперимент прямо в магазине. Если же хотите быть уверенным на все 100%, отнесите камень на исследование к геммологу, специалисту по алмазам. Он наверняка сможет определить, искусственник перед вами или нет.

Впрочем, носить неприродные камни сейчас вовсе не постыдно, тем более если ваш бюджет не позволяет покупать шикарные настоящие бриллианты. Ожерелье или серьги с фианитами или стразами будут блистать даже ярче натуральных собратьев, а обойдутся в разы дешевле, чем изделия с алмазом.

Итак, сегодня мы с вами ознакомились с тем, что такое заменители бриллиантов и «с чем их едят», вернее, как они зародились, каким способом производятся. Научились самостоятельно добывать бриллиант из простого карандаша и можем с полным правом считать себя специалистами в этой теме.

Команда ЛюбиКамни

Технология производства синтетических алмазов

Развитие исследований по сочанию аппаратов высокого давления, необходимых для синтеза алмазов, связано с именем пионера исследований в области высоких давлений профессора Гарвардского университета П.У. Бриджмена. Бриджмен быстро понял, что одно только высокое давление не способно превратить графит в алмаз. Согласно теории, алмаз представляет собой стабильную кристаллическую форму углерода уже при давлениях примерно 20 000 атм, но при давлениях в 425 000 атм при комнатной температуре и 70 000 атм при температуре красного каления превращения графита в алмаз не происходило. В то же время алмаз при нормальном атмосферном давлении ведет себя как вполне стабильная фаза.

Превращение алмаза в графит может быть осуществлено при нагреве примерно до 1500 o С, и это позволило предположить, что для обратного превращения при высоких давлениях необходимы температуры того же порядка. Человеком, которому посчастливилось первому осуществить синтез алмаза, был Трейси Холл.

Холл пришел в лабораторию "Дженерал электрик" в 1948 г. и с 1951 г. стал членом небольшой исследовательской группы, занимающейся "Проектом сверхдавления", как были закодированы работы по синтезу алмаза. Хотя Холл был химиком, он понял, что главное препятствие на пути успешного решения проблемы синтеза алмаза - отсутствие оборудования высокого давления, и разработал эскизный проект системы, впоследствии названной "халфбелт". Это был только первый шаг к успеху, но он наметил путь к новой, ставшей знаменитой конструкции "белт" .

16 декабря 1954 г. пришел первый успех. Холл позднее писал: "Руки мои тряслись, учащенно билось сердце, я ощутил слабость в коленях и вынужден был сесть. Мои глаза поймали сверкнувший свет от дюжин мелких треугольных граней октаэдрических кристаллов... и я понял, что наконец-то алмазы сделаны человеком". Этот эксперимент был выполнен при давлении 70 000 атм и температуре 1600 o С с использованием графита и троилита (FeS). Алмазы прилипли к танталовому диску, который используется для подводки электрического тока при нагреве образца.

Тантал, кроме того, восстанавливал FeS до металлического железа, так как присутствие одной серы не может вызвать превращения графита в алмаз. Катализатор играет роль растворителя, в котором графит сначала растворяется, а затем кристаллизуется в виде алмаза. Без металлического растворителя скорость превращения графита в алмаз очень мала, даже если температура и давление достаточны.

Аппарат для синтеза алмаза, предложенный Холлом, назывался "белт" (пояс), потому что центральная часть, где происходит синтез алмазов, поддерживалась кольцом из карбида вольфрама с бандажом из высокопрочной стали. Два конических поршня приводились в движение с помощью большого гидравлического пресса из упрочненной стали. Полученные синтетические алмазы были техническими.

Главная трудность при создании аппаратов высоких давлений и температур заключается в том, что стали и другие конструкционные материалы быстро теряют свою прочность при нагреве. Эту проблему можно решить путем нагрева только внутреннего рабочего объема и соответствующей термоизоляции для предотвращения чрезмерного нагрева поршней и пояса.

Согласно патенту "Дженерал электрик", типичная шихта в реакционной камере представляет собой смесь 5 частей графита, 1 части железа, 1/3 части марганца и 1/3 части пятиокиси ванадия. Эту смесь запечатывали и нагревали до 1700 o С под давлением 95 000 атм в течение 2 мин, затем охлаждали до 1500 o С за 8 мин. Сейчас в качестве растворителя чаще всего используют смесь никеля и железа, позволяющую осуществить синтез алмаза при менее жестких условиях, например при 50 000 атм и 1400 o С. Также доказано, что графит как источник углерода может быть заменен другими органическими материалами: деревом, углем, дегтем, смолой.

Аппарат высокого давления "белт" компания "Дженерал электрик" впоследствии заменила конструкцией тетраэдрического типа, разработанной Холлом примерно в то же время. Главное преимущество ее заключалось в применении относительно дешевых прессов. В первом варианте использовались четыре независимо работавших пресса, смонтированные в симметричной раме и сходящиеся в центральной части рабочего объема. Для другой, более простой модификации, требуется только один гидравлический пресс, а усилия в трех других направлениях возникают за счет взаимодействия поршней с конической поверхностью прочной стальной поддержки. В тетраэдрическое пространство, образуемое внутренними поверхностями этих вставок, монтируется специально изготовленная деталь из пирофиллита с электропечью, представляющей собой графитовую трубку. Электрический ток подводится через два противоположных поршня или через специальные электровводы. В печь помещаются графит и металл-растворитель.

Параллельно с работами "Дженерал электрик" исследования по получению искусственных алмазов велись Всеобщей шведской электрической акционерной компанией, известной как ASEA. Вероятно, группа ASEA не опубликовала детали своего успешного синтеза алмазов в 1953 г. потому, что пыталась получить ювелирный материал и не придавала большого значения очень мелким техническим алмазам. В технологии ASEA применялись давление от 80 000 до 90 000 атм и температура до 2760 o С. Размеры алмазов, получаемых в обоими фирмами, были существенно меньше 1 мм. В опытах ASEA образовывалось 20-50 кристаллов размером 0,1-0,5 мм.

В СССР способ получения синтетических алмазов был разработан в 1960 г. Институтом физики высоких давлений АН СССР. Руководил работами акад. Л.Ф. Верещагин. В 1961 г. в Институте сверхтвердых материалов АН УССР была отработана промышленная технология синтеза алмазов. Процесс осуществляется при температуре 1800-2500 o С и давлении более 50-102 МПа в присутствии катализаторов - хрома, никеля, железа, марганца, платины, кобальта или других металлов. Впоследствии было установлено, что алмазы образуются при кристаллизации углерода из его раствора в расплаве металла-катализатора.

Синтез алмаза проводится в камере типа "чечевица" объемом несколько кубических сантиметров. Нагревание осуществляется индукционным методом или прямым пропусканием электрического тока. При сближении пуансонов реакционная смесь графита с никелем (а также со слоистым пирофиллитом) сжимается. В результате происходит перекристаллизация гексагональной кристаллической решетки графита в кубическую структуру алмаза. Размер кристаллов алмаза зависит от времени синтеза: при времени реакции 3 мин. образуются кристаллы массой около 10 мг, а 30 мин - 70 мг. Наиболее прочные кристаллы получались размером до 0,5-0,8 мм.

Производство ювелирных синтетических алмазов

Приводим схему аппарата, применявшегося для выращивания крупных кристаллов алмаза с использованием переноса углерода в растворе металла.

Не следует думать, что производство синтетических технических алмазов в огромных объемах упрощает задачу получения алмазов таких размеров и такого качества, которые позволяют отнести их к драгоценным камням. Главное препятствие попыткам получить крупные кристаллы - маленький объем, в котором можно поддерживать экстремальные условия давления и температуры. К тому же для выращивания больших кристаллов требуется длительное время.

Способы получения ювелирных алмазов не патентовались до 1967 г., когда Роберт Уэнторф наконец добился успеха в выращивании алмаза на затравке. Затравочный кристалл необходим для предотвращения кристаллизации графита даже тогда, когда условия опыта соответствуют области кристаллизации алмаза. Наиболее трудная проблема при выращивании крупных кристаллов алмаза высокого качества заключается в необходимости поддержания необходимых условий в области его стабильности.

В используемой Уэнторфом методике затравочный кристалл помещался в холодную часть раствора при температуре около 1420 o С, а мелкие кристаллы располагали в нижней части при температуре 1450 o С. Интервал давлений составлял от 55 000 до 60 000 атм. Лучше, если затравочный кристалл помещают в нижней части, потому что некоторые образующиеся вне затравки мелкие кристаллы всплывают в горячую зону и там растворяются, а не растут вокруг затравки.

В некоторых опытах Уэнторфа питающий алмазный материал перекристаллизовывался в графит. Однако исследователи столкнулись и с более серьезной проблемой: максимальная скорость, с которой кристаллы могут стабильно расти, должна уменьшаться по мере того, как кристалл становится крупнее. Установлено, что для кристалла диаметром 1 мм наиболее высокая скорость стабильного роста составляет 0,2 мм/час. Когда размер кристалла достигает 5 мм, стабильный рост может происходить со скоростью 0,04 мм/час и для выращивания кристалла такого размера требуется несколько дней.

Проблема станет еще более серьезной, если пытаться выращивать синтетические алмазы большего размера. В настоящее время крупный синтетический алмаз имеет 6 мм в диаметре и весит 1 карат (0,2 г). Поскольку для выращивания крупных кристаллов более благоприятны низкие скорости роста, а поддержание высоких температур и давлений в течение длительного времени требует значительных затрат, крупные синтетические алмазы оказываются дороже или сопоставимы с ценой природных кристаллов аналогичных размеров. На фото вверху представлены синтетические алмазы массой 1 карат, выращенные Робертом Уэнторфом, и графит, использованный как исходное вещество.

Окрашивание алмазов осуществляется введением в кристаллы различных элементов-примесей. Азот придает зеленую окраску и, вероятно, обусловливает желтый цвет камней, если он присутствует в малых концентрациях. Введение бора придает алмазу синие цвета. Редко встречающиеся синие природные камни, в частности знаменитый алмаз "Хоуп", также обязаны своей окраской присутствию этого элемента. Изучение свойств окрашенных алмазов полезно для понимания некоторых алмазов и способов образования их в природе.

Прямое превращение графита в алмаз

Для прямого перехода графита в алмаз необходимы еще более экстремальные условия по сравнению с методикой, использующей металл-растворитель. Это связано с большой устойчивостью графита, обусловленной очень прочными связями его атомов. Результаты первых эекспериментов по прямому превращению графит-алмаз, выполненных П. Де-Карли и Дж. Джеймисоном из "Аллайд кемикл Корпорэйшн", были опубликованы в 1961 г.

Для создания давления использовалось взрывчатое вещество большой мощности, с помощью которого в течение примерно миллионной доли секунды (одной микросекунды) поддерживалась температура около 1200 o С и давление порядка 300 000 атм. В этих условиях в образце графита после опыта обнаруживалось некоторое количество алмаза в виде очень мелких частичек. Полученные кристаллиты по размерам (100 А = 10 нм, или одна стотысячная доля миллиметра). Они сопоставимы с так называемым "карбонадо", встречающимся в метеоритах, образование которых объясняется воздействием высокой температуры, возникающей при прохождении метеорита через плотные слои атмосферы, и мощной ударной энергии, возникающей при ударе метеорита о земную поверхность.

В 1963 г. Фрэнсису Банди из "Дженерал электрик" удалось осуществить прямое превращение графита в алмаз при статическом давлении, превышающем 130 000 атм. Такие давления были получены на модифицированной установке "белт" с большей внешней поверхностью поршней и меньшим рабочим объемом. Для создания таких давлений потребовалось увеличение прочности силовых деталей установки. Эксперименты включали искровой нагрев бруска графита до температур выше 2000 o С. Нагревание осуществлялось импульсами электрического тока, а температура, необходимая для образования алмаза, сохранялась в течение нескольких миллисекунд (тысячных долей секунды), что существенно дольше, чем в экспериментах Де-Карли и Джеймисона. Размеры новообразованных частиц были в 2-5 раз больше по сравнению с получающимися при ударном сжатии.

В СССР в Институте сверхтвердых материалов АН УССР была отработана подобная технология получения искусственных алмазов. При направленном взрыве происходит мгновенное повышение давления до 200-102 МПа и температуры до 2000 o С и в графите образуются мелкие (до 10-30 мкм) синтетические алмазы.

В 1963 г. В. Ж. Эверсолом (США) был запатентован способ выращивания алмазов из перенасыщенной углеродом газовой фазы (метана, ацетилена или других углеводородов) при давлении ниже 10-102 МПа. Образующаяся избыточная поверхностная энергия на границе графит-воздух способствует формированию зародышей алмазов. Подобный метод независимо был разработан в СССР Б. В. Дерягиным и Д. В. Федосеевым. При давлении ниже атмосферного им удалось получить на затравках из алмаза нитевидные кристаллы синтетического алмаза из газовой фазы. Скорость роста кристаллов очень низкая - около 0,1 мкм/ч.

Внимание этих ученых привлекли предложения по получению алмазов в условиях, при которых стабилен графит, а алмаз метастабилен (метастабильность алмаза означает, что он может в данных условиях оставаться неизменным неограниченное время без обратного перехода в графит). Для превращения графита в алмаз необходимо, чтобы атомы углерода были возбуждены до состояния, характеризующегося высокой энергией. Обычно это достигается приложением высоких давлений и температур. Альтернативная идея основана на том, что если удастся получить атомы углерода с высоким энергетическим уровнем, то при переходе в твердое состояние вероятнее образование метастабильного алмаза, чем стабильного графита. Этому способствует применение затравочных кристаллов алмаза, которые помогают атомам углерода располагаться в порядке, соответствующем алмазной, а не графитовой структуре. Вероятно, наиболее перспективный метод связан с разложением углеродсодержащих газов при достаточно низких давлениях. Обволакивая мелкие кристаллы алмаза, газ разлагается, и атомы углерода осаждаются на поверхность затравочных кристаллов.

Для опытов Эверсола характерны следующие условия: температура в интервале 600-1600 o С, общее давление газа - одна атмосфера, концентрация метана в газовой смеси от 0,015 до 7%. Затравки имели размер всего лишь 0,1 мкм (десятитысячная доля миллиметра) в диаметре, что обеспечивало большую поверхность для осаждения алмазов. Помимо алмаза в газовой фазе образовывались скопления графита, которые осаждались вместе с алмазом на поверхности затравочных кристаллов. Если время от времени не останавливать процесс для удаления графита, его концентрация настолько возрастает, что препятствует дальнейшему осаждению алмаза. Для этого предусматривалось периодическое извлечение алмазов, которые помещались в сосуд высокого давления (от 50 до 200 атм) с водородом и прокаливались при температуре 1000 o С. Водород вступает в реакцию с графитом намного быстрее, чем с алмазом, поэтому такая процедура очищает поверхность затравочных кристаллов для последующего роста алмазов.

Группа Дерягина пришла к выводу, что новообразования графита выгоднее окислять кислородом воздуха при атмосферном давлении. Преимущество этого способа в том, что процесс синтеза и удаление графита осуществляются в одном и том же реакторе, который в окислительную стадию процесса заполняется воздухом. Типичные условия, используемые для выращивания алмаза этим методом, характеризуются температурой 1020 o С и давлением метана 0,07 мм рт. ст.

Наибольшие скорости роста составляют примерно 0,1 мкм в час, что обеспечивает образование во всем объеме реактора около одного карата алмаза в час. Вибрация затравок способствует увеличению поверхности соприкосновения кристаллов с метаном и ведет к улучшению свойств наращиваемого слоя. Еще большие скорости достигаются при облучении поверхности алмазов светом газонаполненной ксеноновой лампы высокого напряжения. Лампа работает в пульсирующем режиме, способствуя быстрому росту алмаза и в значительной степени предотвращая зарождения кристаллитов графита. Сообщалось, что в таких условиях скорости роста достигают нескольких микрометров в час. Иногда при использовании этого метода начинают расти алмазные "усы" - тонкие нити, выступающие из разных мест поверхности затравочного кристалла. Причины такой странной формы роста пока не ясны.

Метод Эверсола в США развивался в основном Дж. Ангусом и его сотрудниками в университете штата Огайо. Используемые ими условия роста: температура 1000 o С, давление метана (в смеси с водородом) 0,2 мм рт. ст. - близки к условиям экспериментов, проводимых группой Дерягина. Прирост веса составляет обычно 6% за 20 ч, что соответствует линейной скорости роста только 0,001 мкм/сут. Более высокие скорости наблюдаются в начальный период процесса, что, вероятно, связано с напряжениями, обусловленными небольшими различиями расстояний между атомами углерода в пленке и кристалле-подложке. Возможно, что очень высокие скорости роста, о которых сообщалось советскими учеными, также характерны только для начальной стадии процесса.

Фирмой "Дженерал Электрик" в 1970 г. был разработан метод получения крупных синтетических кристаллов алмазов ювелирного качества на затравках в виде пластин. Однако стоимость выращивания таких алмазов гораздо выше, чем добыча природных.

Синтетические алмазы широко применяются для производства алмазно-абразивного инструмента, брусков, шлифовальных и отрезных кругов, паст для шлифования, стеклорезов, резцов, буровых коронок, долот и т. д. В настоящее время более 80% потребности в технических алмазах покрывается за счет синтетических. В настоящее время десятки лабораторий в различных странах продолжают поиски более рациональной и эффективной методики выращивания алмазов для технических нужд и ювелирных целей.

Облагораживание алмазов облучением

Рассказ о синтетическом алмазе был бы неполным без информации об использовании ядерного облучения для получения окрашенных кристаллов. Развитие такого метода обработки вызвано чрезвычайной редкостью цветных алмазов, а между тем окрашенный алмаз хорошего качества более чем на 25% дороже своей бесцветной разновидности.

Английский ученый сэр Уильям Крукс обнаружил, что радиоактивное излучение радия превращает бесцветный алмаз в зеленую разновидность. Позднее было установлено, что это изменение окраски происходит в результате бомбардировки кристалла альфа-частицами, но захватывает только внешний слой алмаза из-за слабой проникающей способности альфа-частиц в твердое тело. Метод обработки алмаза облучением пребывал в забвении до нового витка развития в конце 40-х годов XX века ядерной физики.

Дейтронами бомбардировали кристаллы алмаза. Алмаз оставался сильно радиоактивным в течение нескольких часов, но и в этом случае окрашивался только внешний слой. Было установлено, что бомбардировка электронами с высокой энергией приводит к окрашиванию алмаза в бледно-голубой или зеленый цвет, но опять-таки окрашивался лишь тонкий слой. А вот нейтроны, обладающие более высокой проникающей способностью, могут изменить окраску всего камня. После облучения ими алмазы становятся зелеными, однако нагревание в инертном газе при 900 o С меняет их цвет сначала на коричневый, а затем на золотисто-желтый. Облученные алмазы золотисто-желтого цвета намного привлекательней, чем зеленые или коричневые, они очень популярны в Соединенных Штатах.

В некоторых случаях реакция алмазов на облучение более разнообразна, и можно получить кристаллы синего, красного и пурпурного цветов. Это различие в окраске обусловлено примесями, присутствующими в алмазах. Большинство алмазов, так называемые алмазы типа I, содержат в качестве примеси азот, который внедряется в кристалл предположительно в промежуточную стадию между образованием алмаза в недрах Земли и временем, когда он попадает в приповерхностные ее участки. В большинстве алмазов азот распределен в виде тончайших пластин, но в одном из тысячи он распределен равномерно во всем объеме кристалла. Последний тип кристаллов назван Iб, тогда как наиболее распространенные отнесены к типу Iа.

Менее распространенный тип II объединяет чистые алмазы, почти не содержащие азота. К нему относятся наиболее крупные камни. Наиболее часто встречающиеся алмазы этого типа классифицируются как тип IIа, а очень редкие содержащие небольшие концентрации примесного алюминия, как тип IIб. Среди алмазов типов I6 и II6 встречаются кристаллы красного и фиолетового цветов, вследствие чего они дороже алмазов обычного типа.

В таблице ниже приведены сведения о цвете поступающих в продажу облученных алмазов. Вообще имеет смысл облучать только крупные кристаллы, поскольку повышение цены мелких алмазов не оправдывает затрат на их обработку.

Метод	Тип Iа	Тип Iб	Тип IIа	Тип IIб
Нейтронное облучение	Зеленый	Зеленый	Зеленый	Зеленый
Нейтронное облучение + нагревание	Янтарно- желтый	Янтарно- желтый	Коричневый	Пурпурно- красный
Облучение электронами	Зеленый	Синий или зеленовато- синий	Синий или зеленовато- синий	-
Облучение электронами + нагревание	Янтарно- желтый	Пурпурно- красный	Коричневый	-

Поскольку в наше время обработка алмазов для изменения их окраски распространена достаточно широко, возникла новая проблема. Некоторые даже подконтрольно облученные алмазы в течение длительного времени могут оставаться радиоактивными в связи с присутствием примесей долгоживущих радиоактивных изотопов. Насколько эта проблема серьезна - до конца не ясно. Но если некоторая опасность для владельца облученного камня существует, он должен быть осведомлен о результатах контроля на остаточную радиоактивность и об опасном методе облагораживания минерала. В любом случае бесконтрольное облагораживание камней в третьих странах делает эти камни опасными, так как неизвестно, чем именно камень облучали и каковы последствия этого облучения. Покупатель должен иметь выбор осознанно отказаться от потенциально опасной покупки.

Аналог настоящих драгоценных алмазов — искусственные алмазы. Издавна известно, что переливы бриллиантовых граней обладают магическими и чарующими свойствами. Но, так как природные алмазы — самые дорогие камни, приобрести бриллиантовые украшения многие попросту не могут. Благодаря аналогам как женщины, так и мужчины могут насладиться красотой и шиком украшений из искусственных камней. Помимо этого, алмазы применяются не только для изготовления ювелирных украшений, но и во многих отраслях жизни человека: наука, техника, медицина. Использовать качественные и драгоценные алмазы в промышленности не выгодно. Для этого применяются дефектные камни, которые не представляют особой ювелирной ценности, или искусственно выращенные алмазы. Название «алмаз» в переводе с древнего индийского языка обозначает «неразбиваемый». Другая версия гласит: название произошло от греческого слова «адамас», что значит «непреодолимый».

Особенности искусственных алмазов

В 1993 году впервые на мировом алмазном рынке начали появляться искусственные камни как экспериментальные образцы. Часть их направили на исследование в авторитетную лабораторию Геммологическиго института США, где ученые сделали вывод: отличие искусственных алмазов от природных камней довольно существенное, но не каждый ювелир или обычный потребитель сможет идентифицировать и отличить настоящий камень от поддельного. Главное отличительное свойство синтезированных искусственных алмазов — это чистота и твердость. Искусственный алмаз — самый твердый в мире камень. Природные алмазы могут иметь погрешности и дефекты (трещины, замутнения или вкрапления), чего нельзя сказать об искусственных камнях.

Как известно, настоящий алмаз обладает магическими свойствами, помогает защитить человека от «нехороших» взглядов и мыслей, уравновешивает нервную систему. Специалисты астрологии уверяют, что искусственный алмаз также излучает положительную энергию, которая помогает в трудные для человека минуты принять верное решение или сделать правильный выбор. Независимо от знака зодиака как природные, так и выращенные искусственно алмазы можно носить на теле или просто иметь дома в шкатулке. Разнообразие украшений из искусственных камней сегодня достаточно велико, да и отличить камни от настоящих драгоценностей на первый взгляд совершенно невозможно.

Способы выращивания синтетических алмазов

Синтетические экземпляры выращиваются в лабораториях в специальных условиях с применением высокоточного и высокотехнологического оборудования. Но для этого процесса не нужны тысячи лет, как для образования природных камней. Оттенки и размеры специалисты могут выбирать самостоятельно. Один из методов, применяемый для выращивания искусственных алмазов, это температурный градиент с применением особых тубусов. В них помещают следующие ингредиенты:

графитовое порошкообразное вещество;
металлические специальные сплавы (они выступают как катализирующие вещества);
затравки будущих искусственных камней.

Капсула находится под прессом (около 3000 т) в течение 10 суток. Расти начинает в том месте, где оказывается самое высокое давление. Благодаря высокой внутренней температуре (почти 1500° С) металл плавится, растворяя в себе графитный порошок. Разница между температурами создает определенное давление, которое способствует движению полученной массы к «зародышу», где и происходит ее осаждение.

Еще одна методика выращивания лабораторных камней называется CVD-методом (газовое осаждение). Методика заключается в засевании специальной пластины (подложки) алмазными «зародышами». Эту пластину помещают в специализированную установку, которая предварительно откачивается до высокого вакуума. Затем камеру наполняют микроволновыми лучами и газами. Плазма в момент выращивания алмазов достигает определенной температуры (около 3100° С).

Под действием температуры происходит разложение газов в плазму, а молекулы углерода, которые адсорбируются из метана, осаждаются в виде искусственных алмазов на пластине.

Кристаллы имеют эквивалентные связи, этим и объясняются их прочность и твердость. Для искусственного выращивания используют графит, сажу, сахарный уголь и различные вещества, богатые углеродом.

Выращенные алмазы имеют несколько названий, но в основном их принято назвать искусственными или синтетическими, хотя в научной литературе можно также встретить такие названия, как:

НРНТ-алмазы;
CVD-алмазы.

Ученые предпочитают называть их «лабораторными камнями» или «выращенными алмазами в лабораторных условиях».

Чем алмаз синтетический отличается от природных камней?

Внешний вид искусственных алмазов не уступает природным драгоценным камням, но если учитывать их стоимость, то она намного ниже. Синтетические камни лучше поддаются процессу огранки, поэтому даже самые маленькие кристаллы могут похвастаться безупречной огранкой. Помимо этого, небольшие синтетические камни намного прочнее природных, поэтому настоящих алмазов небольших размеров на полках ювелирных магазинов практически не встретить: процесс извлечения их из руды очень трудоемкий. С помощью синтетических небольших камней ювелиры создают немассивные, очень красивые украшения с алмазной вышивкой, что намного увеличивает потребительские пожелания.

Область применения искусственных алмазов

Благодаря своей твердости искусственные, выращенные камни широко применяются для резки и шлифовки различных поверхностей. Сегодня практически все пилы, сверла, абразивы, шлифовальные и режущие инструменты имеют детали с искусственной алмазной насечкой. Также широко применяются искусственно выращенные камни как полупроводники при производстве микросхем. Торговые алмазные рынки отличительны от ювелирных рынков, потому что лабораторный камень, помимо твердости, имеет отличную теплопроводность, которая в несколько раз превышает теплопроводность такого материала, например, как медь.

Основные потребители искусственных камней — это ювелиры, производители чипов для компьютерного оборудования, организации, оказывающие бурильные услуги.

Сегодня очень распространены алмазные порошки для полировки поверхностей драгоценных камней, золотых и серебряных оправ, кремниевых пластин.

Самая большая ценность лабораторных камней, полученных методом CVD, заключается в использовании их в высокотехнологических сферах деятельности человека. Искусственные (синтетические) камни применяются при изготовлении мощнейших лазерных лучей (которые на сегодняшний день используются в медицине для лечения смертельных заболеваний), создании мобильных портативных устройств.

Наибольшие потенциалы для синтетических камней находятся в области компьютерных технологий. Детали, которые они содержат, считаются более долговечными, они могут беспрерывно работать при очень высоких температурах, чего не скажешь, например, о кремниевых компьютерных чипах. Искусственный алмаз может выдержать высокие температуры, что обеспечивает его продуктивность, потому что от этого зависят срок службы, частота работы техники, скорость. Количество искусственных алмазов, которое производится ежегодно, это почти 5 миллиардов карат.

Ученые проводят постоянные исследования, которые уже на сегодня позволили сделать выводы о том, что искусственные алмазы будут применяться для получения изображений под водой, изображений в области медицины, для детекторов в большом адронном коллайдере, в ядерных исследованиях.

Помимо всего вышеперечисленного, искусственные алмазы широко применяются в ювелирных украшениях, что позволяет многим женщинам насладиться ненастоящими камнями, но практически не отличающимися от природных.

Искусственный бриллиант — это не подделка натурального, обработанного алмаза. Это промышленное изделие, у которого структура и свойства натурального камня.

Свойства синтезированных бриллиантов

Готовый бриллиант вырастить нельзя, потому что так называется продукт обработки алмаза, натурального или полученного в процессе синтеза. У минерала и лабораторного двойника невзрачный вид, и только после огранки они становятся бриллиантами.

Искусственно выращенный бриллиант сложно отличить от натурального. Встречаются камни такого качества, что их трудно идентифицировать даже в геммологической лаборатории. И цена у них соизмерима с природным материалом.

Почему искусственно выращенные кристаллы нельзя назвать подделкой алмазов? А потому, что они изготавливаются по специально созданным технологиям, чтобы не просто быть похожими, а повторить характеристики натурального минерала. Искусственные бриллианты приобретают следующие аналогичные качества алмаза:

твердость;
блеск;
коэффициент преломления, как у воды;
одинаковый удельный вес;
высокая теплопроводность.

Так как же отличить ограненные алмазы натурального происхождения от бриллиантов, искусственно выращенных на производстве? Для дифференцирования обращают внимание на следующие свойства камней, полученных в ходе технологического процесса:

Реагирование на сильное магнитное поле.
Под микроскопом, даже с двадцатикратным увеличением, трудно найти изъян в камне.
Зернистая структура кристалла, которую видно при увеличении образца в 80 раз.
Желтоватый оттенок, который оставляет азот.
Отсутствие минеральных включений.
Спектральный анализ покажет присутствие металлов-катализаторов (если таковые применялись).

Но точный результат дает только инфракрасная или лазерная спектрометрия. На ювелирном рынке природные ограненные алмазы наполовину заменили культивированными. Обычно это камни размерами до 1 карата. Более крупные синтезировать невыгодно: такое производство трудоемкое и дорогое, хотя по новым технологиям в России вырастили искусственный алмаз темно-синего цвета с массой 10,07 карата.

Технологии алмазного производства

Чтобы вырастить алмаз из микроскопических фракций, используются 2 способа:

Термобарический метод. В барокамеру помещается алмазная пудра, на которую воздействуют высоким давлением и горячим воздухом. При этом используются пленки металлов как катализаторы. Время цикла 7-10 дней.

Метод CDV. Алмазное семя располагают в вакуумной камере, содержащей метан. Электрическая дуга разрушает молекулы газа, атомы углерода оседают на исходном материале и кристаллизуются. Камни вырастают за 4-5 дней.

У синтезированных и натуральных алмазов одинаковая составляющая — углерод. Только натуральный минерал формируется долго (как он образуется — неизвестно), а выращивают в лаборатории за несколько дней, что позволяет удовлетворять спрос не только ювелирного рынка, но и промышленного.

На этом процесс производства не заканчивается. Получаемые образцы имеют шероховатую поверхность черного цвета. Но это убирается шлифовкой, а после огранки камень сверкает.

Впервые алмаз синтезировали во второй половине прошлого столетия. Оборудование для него было таким дорогим, что добыча обходилась дешевле. Дальнейшее развитие отрасли позволило сделать стоимость синтетических кристаллов в десятки раз меньше.

Искусственные и фальшивые

Искусственные бриллианты ценятся высоко, мошенники их редко предлагают вместо настоящих. Есть камни, которые за яркий блеск принято называть заменителями алмазов:

Фианиты — уступают в прочности муассанитам, с годами мутнеют, имеют синтетическое происхождение.

Цирконы — синтезированные камни, не являются драгоценными.

Имеют бриллиантовый блеск бесцветный сапфир, рутил, фабулит, иттрий, галлий, кристаллы Сваровски, акриловые полимеры. Они называются подделками или фальшивками, потому что у них другая структура и свойства. Самый похожий на бриллиантовый кристалл — натуральный минерал муассанит. У него высокая прочность, блеск и сияние сохраняются на долгие годы.

У выращенных камней 3 базовых цвета: желтый, синий и бесцветный. Эти цвета не меняют своей насыщенности со временем. Легче выращивать желтые камни, поэтому они более крупные (до 2 карат). Встречаются оранжевые кристаллы. Такой цвет дают примеси азота при попадании в кристаллическую решетку. Сложнее выращивать голубые бриллианты (цвет дают примеси бора). Их размер не превышает 1,25 карат.

Бесцветные алмазы вырастить сложно, потому что нельзя допустить попадания примесей, дающих окраску. Такие кристаллы менее доступны, весят не более 1 карата. Чтобы сделать бриллианты других цветов (розовые, красные, зеленые), проводится специальная обработка уже после выращивания. Цветность кристалла обозначается цифрой. У бесцветного — цифра 1. Но это редкие камни и они носят название бриллианта чистой воды.

Производство искусственных алмазов востребовано. Кроме изготовления ювелирных изделий, их используют в медицине, строительстве, электронике, нанотехнологиях. Культивированные бриллианты — высокочистые камни, имеют безупречный вид, большую схожесть с натуральными.

Бриллианты любят все женщины на планете, но позволить такую роскошь могут себе не все. Современные технологии позволяют создать искусственный бриллиант, который в несколько раз дешевле натуральных камней.

Бриллиант необходим не только для красоты.

Его используют в промышленной сфере, космонавтике, медицине и индустрии моды.

Как появились искусственные алмазы

Натуральный камень был известен человечеству ещё десятки веков назад. Любители невероятного блеска готовы были отдавать за бриллиант круглую сумму. Любители обмана придумывали всевозможные хитрости, чтобы получить деньги. За бриллиант выдавали горный хрусталь, фианит, муассанит. Создание искусственного камня не давало покоя человечеству, и в конце XIX столетия учёные начали изучать состав камня и его строение .

Благодаря уникальным характеристикам драгоценность имеет высокую цену на рынке ювелирных изделий. Твёрдость, высокая теплопроводность, сильная дисперсия, оптическая прозрачность и износостойкость - такие свойства ценят не только ювелиры, но и специалисты различных сфер науки, начиная с промышленности и заканчивая медициной.

Чтобы все сферы жизнедеятельности смогли применять алмазы в своей отрасли, люди начали придумывать, как выращивать бриллианты.

Искусственные бриллианты называются синтетическими, то есть созданными в лаборатории.

В 1950 году шведские учёные впервые синтезировали драгоценность , а через несколько лет на рынке можно было купить камень искусственного происхождения для создания украшений. В последнее время современный рынок украшений практически полностью представлен ювелирными украшениями с искусственными камнями.

Обычный человек вряд ли сможет отличить подделку от настоящей драгоценности, поэтому многие производители пользуются отсутствием знаний у народа.

Процесс выращивания

Как называется искусственно выращенный бриллиант - знает любой человек, который интересовался технологией его производства. В настоящее время существует несколько технологий синтетического изготовления искусственной драгоценности .

Самая прочная, но при этом дорогостоящая технология производства - из кристаллического углерода . Углерод помещается в специальный пресс, на котором насосы при помощи воды создают высокое давление, тем самым обрабатывая материал.

Далее такой специальный материал, как хладагент замораживает воду, тем самым увеличивая давление в 10 раз. На следующем этапе в камеру подаётся мощный заряд тока, и под воздействием воды и электричества происходит преображение камня. Разморозив камеру, можно получить готовый искусственный продукт.

Взрыв при помощи метана позволяет нарастить каменную массу - так называют специалисты искусственный бриллиант. Эта технология менее затратна, чем выращивание из углерода.

Применять метан можно двумя способами. При применении первого алмазы получатся мелкими, но с высоким процентом выхода готового изделия. Второй метод позволяет нарастить каменную массу, но температура обработки достигнет 1100 градусов.

Сфера применения

Практически 90% всех камней используется в сфере промышленности и науки.

Самые чистые камни применяются в нанотехнологиях, а также в машиностроении.

С их помощью можно создавать инструменты с повышенной прочностью.

Такими инструментами являются:

шлифовальные круги;
полирующие диски;
свёрла.

Широкое применение синтетический бриллиант нашёл в индустрии моды и красоты. Стразы применяют в одежде, а также в бижутерии и для украшения обуви.

Искусственный материал является отличной альтернативой натуральному бриллианту. Такой камень можно применить в различных сферах промышленности, моды и медицины, а также разрабатывать специальные нанотехнологии.