Цены на эти материалы – 10 долларов за 1 кар.

Глава 4. Синтетический алмаз

Синтезом алмазов занимались многие ученые. Ведущая роль принадлежит советскому физику О.И. Лейпунскому, который в 1938 г. провел теорети­ческий анализ условий образования алмаза из графита и определил обла­сти стабильного существования алмаза. В результате им была изучена диа­грамма состояния алмаз – графит, которая явилась основой для научного решения проблемы создания синтетических алмазов.

В феврале 1953 года группе физиков шведской энергетической компании ASEA при проведении очередного опыта по синтезу алмаза из графита при давлении 8 · 10⁸ МПа и температуре 2500 °С с выдержкой во времени 2 минуты удалось получить первые в мире искусственные алмазы. В декабре 1954 г. ученые фирмы "Дженерал Электрик К°" создали искусственные алмазы размером около 0,8 мм. Впоследствии ими была разработана ка­мера типа "белт".

После этого синтез алмазов был организован в ряде стран – Бельгии, Англии, Японии и др. В СССР в 1960 г. Институтом физики высоких давлений АН СССР под руководством акад. Л.Ф. Верещагина был разработан способ получения синтетических алмазов, который был передан для промышленного освоения Институту сверхтвердых материалов АН УССР. В 1961 г. была отработана промышленная технология синтеза алмазов. Про­цесс осуществляется при температуре 1800 – 2500 °С и давлении более 5 · 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. В настоящее время составлены диаграммы образова­ния алмаза из графита с различ­ными катализаторами. На рис. 6 приведена диаграмма системы алмаз – графит – никель.

Рис. 6. Диаграмма процесса синтеза ал­мазов с катализатором из никеля:

1 – кривая равновесия алмаз – графит;

2 – кривая плавления никель – углерод;

3 – кривая плавления никеля;

4 – об­ласть кристаллизации алмаза.

Синтез алмаза проводится в камере типа "чечевица" объемом несколько кубических сантимет­ров (рис. 7). Нагревание осу­ществляется индукционным ме­тодом или прямым пропускани­ем электрического тока. При сближении пуансонов реакцион­ная смесь графита с никелем (а также со слоистым пирофилли­том) сжимается, при этом в камере развивается давление выше 5 · 10² МПа. В результате происходит перекристаллизация гексагональной кристаллической решетки графита в кубическую структуру алмаза. Раз­мер кристаллов алмаза зависит от времени синтеза, так как при времени реакции 3 минуты образуются кристаллы массой около 10 мг, а 30 мин – 70 мг. Наиболее прочны кристаллы размером до 0,5 – 0,8 мм, более круп­ные имеют невысокие физико-механические свойства. Кроме описанного метода разработан еще ряд способов выращивания алмазов.

В 1963 г. В.Ж. Эверсолом (США) был запатентован способ выращивания алмазов из газовой фазы (из метана, ацетилена или других углеводо­родов) при давлении ниже 10³ МПа. Суть метода – создание перенасыщенной углеродом газовой фазы, образующаяся при этом избыточная поверхностная энергия на границе графит – воздух способствует формиро­ванию зародышей алмазов. Подобный метод 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.

В 1961 г. в США фирмой "Эллайд Хемикал и Дю Пон" был предложен взрывной метод получения синтетических алмазов. При направленном взрыве происходит мгновенное повышение давления до 200 · 10² МПа и температуры до 2000 ºС, при этом в графите образуются мелкие (до 10 – 30 мкм) синтетические алмазы. В СССР в Институте сверхтвердых мате­риалов АН УССР была отработана подобная технология получения искус­ственных алмазов, получивших название АВ.

В США фирмой "Дженерал Электрик К⁰" 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.

В настоящее время мировое производство синтетических алмазов (без СССР) составляет более 200 млн. карат/год. Главные центры производства синтетических алмазов – США ("Дженерал Электрик К°"), ЮАР ("Де Бирс"), Англия, Япония.

Рис.7. Схема камеры типа "чече­вица":

1 – пуансоны; 2 – реакционная смесь графита с никелем; 3 – пирофилитовая прокладка; 4 – муфта.

В мире выпускаются синтетические алмазы следующих видов: АСО – алмазы обычной прочности, АСР – алмазы повышенной прочности, АСВ – ал­мазы высокой прочности, АСК и АСС – алмазы монокристалли­ческие.

Размер алмазов АСО, АСР и АСВ 0,04 – 0,63 мм. Кроме того, выпускаются две марки микропо­рошков – АСМ и АСН с размером зерен 1 – 60 мкм. Монокристаллические синтетические алмазы АСК и АСС имеют размер зерен до 1 мм.

Эксплуатационные свойства шлифовальных порошков из синтетических алмазов зависят от формы зерен, характера их поверхности и меха­нической прочности. Наиболее развитая поверхность характерна для алма­зов АСО, а наименее развитая – для алмазов АСС. Механическая прочность ал­мазов АСС приближается к прочности природных алмазов.

Синтетические алмазы широко применяются для производства алмазно-абразивного инструмента, брусков, кругов шлифовальных и отрезных, паст для шлифования, стеклорезов, резцов, буровых коронок, долот и т.д. В настоящее время более 80% потребности в технических алмазах по­крывается за счет синтетических.

Кроме перечисленных марок синтетических алмазов в СССР выпускаются поликристаллические алмазы типа карбонадо, балласы, СВС, ис­пользуемые в технике, а также ряд синтетических сверхтвердых материалов, приближающихся по своим физическим свойствам к природным ал­мазам – эльбор (или кубонит), гексанит и др. "Блестящее будущее рису­ется нам для алмаза, когда человек сумеет овладеть тайной искусственно­го его получения. Алмаз до сих пор упорно хранит эту тайну, и то немно­гое, чего добилась наука, еще далеко от разрешения проблемы в це­лом..." – так писал А.Е. Ферсман в 1945 г., а уже через несколько лет син­тетические алмазы заняли ведущее положение в технике.

Около 200 лет пытаются создать синтетические алмазы. Десятки лабораторий в различных странах продолжают поиски более рациональной и эффективной методики выращивания алмазов как для технических нужд, так и для ювелирных целей. Нерешенных проблем в этой области очень много, однако каждый день приближает нас к цели и не исключено, что в скором времени будут найдены экономичные способы получения синтети­ческих алмазов любой формы, размера, цвета и качества. Природные дра­гоценные камни в десятки, а иногда и в сотни раз стоят дороже своих син­тетических аналогов, несмотря на то что синтетические камни по качеству и цвету часто значительно превосходят природные. Г. Банк пишет: "Тем не менее и синтетические камни принадлежат к миру драгоценных камней. Каждому дано решить для себя, как он представляет себе свой мир драго­ценных камней: намерен ли он удовлетвориться хорошей копией или же по прежнему ценит лишь оригинал!".

Глава 5. Как отличить природные ювелирные камни от их синтетических аналогов

Все синтетические материалы, применяемые в ювелирных целях, можно разделить на две группы: первую – синтетические камни – аналоги при­родных ювелирных камней и вторую – новые синтетические материалы, не имеющие аналогов среди природных камней и имитирующие ювелир­ные камни иного состава. Идентификация камней второй группы основы­вается на применении методов диагностики, описанных выше с учетом их свойств. Идентификация камней первой группы более слож­на, так как состав и структура природных и синтетических камней этой группы идентичны. В настоящее время получены и имеются на мировом рынке синтетические корунды, шпинель, изумруд, кварц (в том числе аметист и цитрин), бирюза, в меньшем количестве александрит, опалы, ко­раллы и др.

В связи с получением синтетических аналогов ряда природных ювелир­ных камней остро встал вопрос о методах их отличия. Остановимся на не­которых, наиболее распространенных камнях.

Рубин и сапфир. Получаемые по методу Вернейля, рубин и сапфир в настоящее время наиболее широко применяемые в ювелирных изделиях камни. Стоимость синтетических корундов ниже природных в десятки и даже сотни раз.

Основные физические свойства синтетических корундов весьма близки к природным (коллектив авторов под руководством М. М. Классен-Неклюдовой и Х. С. Багдасарова, 1974 г.). Плотность синтетических корундов 3,992 г/см³. Примесь хрома повышает плотность до 4,013 г/см³, а титана, кальция и ряда других элементов – понижает. Показатели преломления: 1,7681 – 1,7635, у высокохромистого рубина – до 1,7681 – 1,7801. Иногда в синтетических корундах появляется аномальная двуосность, связанная с остаточными внутренними напряжениями.

В спектрах поглощения синтетических фиолетовых, синих и зеленых сапфиров в отличие от природных отсутствуют некоторые полосы поглощения (454, 467, 473 нм). Это можно обнаружить даже у ограненных кам­ней при довольно несложном исследовании на спектрофотометре СФ-18, оснащенном приспособлением для записи спектров поглощения огранен­ных камней.

Отличительный признак синтетических рубинов, полученных при гид­ротермальном синтезе, – наличие в ИК-спектрах серии полос поглощения в интервале 3000 – 3600 см^–1, вызванных гидроксильными группами.

Особенно важно для распознавания синтетических и природных рубинов и сапфиров (в частности, ограненных) наличие включений, трещин, каналов, характер распределения окраски, двойникование, выявляемых при рассмотрении камня под сильной лупой или при микроскопи­ческих исследованиях. Для этой цели применяются стереомикроскопы (МБС, "Джемолайт" и др.), с мощным освещением – отраженным и про­ходящим светом. Для большей четкости изображения используется вода, спирт или иммерсионные жидкости (монобромнафтален, йодистый мети­лен и др.). Исследуемый камень опускают в жидкость, налитую в стакан. Чтобы уменьшить испарение жидкости, стакан накрывают стеклом. Так как показатели преломления иммерсионной среды и калия близки, то последний становится полностью прозрачным, что позволяет хорошо рас­смотреть его внутреннее строение.

Установлено, что в природных руби­нах (в частности, в кристаллах из Бирмы и Шри-Ланки) наблюдаются включения рутила, отдельные кристаллики, коленчатые двойники или микроскопические параллельные тонкие иголочки которого образуют так называемый "шелк", а расположенные под углом 60 и 120° – "сетку". Рубины Бирмы, очень богатые включениями, со­держат также октаэдрические кристаллы шпинели, короткопризматические кристаллы апатита, оливин, кальцит, желтый сфалерит, сфен, муско­вит. В рубинах Шри-Ланки можно увидеть включения правильных кри­сталликов циркона, часто окруженных "плеохроичными двориками", гра­натов, пирита, пирротина, гематита, апатита, кальцита. В рубинах Таиланда рутил встречается довольно редко. Для них характерны альмандин, апа­тит, пирротин, для рубинов Танзании – апатит, графит, пирротин, паргасит, шпинель, цоизит.

Иногда в природных рубинах наблюдаются жидкие и газово-жидкие включения, которые заполняют трубообразные каналы и трещины. Осо­бенно распространены газово-жидкие включения, расположенные по тре­щинам разнообразной формы и образующие замысловатые узоры; в ру­бинах Таиланда трещины и каналы могут быть также декорированы буры­ми включениями окислов и гидроокислов железа.

Еще одна отличительная особенность природных рубинов (в частности, Бирмы) – неравномерное пятнистое распределение окраски. В звездчатых рубинах проявляется гексагональная зональность окраски. В ряде ру­бинов отмечается тонкая трещиноватость в виде параллельных полос, связанная с двойникованием.

В природных сапфирах, как и рубинах, наиболее частое твердое включение – рутил. Вместе с тем в сапфирах Бирмы отмечаются апатит, циркон, монацит, флогопит, фергюсонит; Шри-Ланки – гранат, шпинель, слюды, пирит, халькопирит, циркон, окруженный "плеохроичными двориками"; Таиланда – плагиоклаз, колумбит, пирротин, халькопирит; Танзании – циркон, апатит, графит, пирротин; Кашмира – роговая обманка, турмалин; Кампучии – красный гатчетолит, торит, полевой шпат.

Очень характерная особенность природных сапфиров – обилие газово-жидких включений, образующих причудливые узоры, напоминающие соты, сетки, отпечатки пальцев, и расположенных по веерообразным, кулисообразным и неправильным трещинам. Иногда жидкие включения запол­няют трубообразные каналы. В трещинах и каналах могут находиться бу­рые окислы и гидроокислы железа.

Важный диагностический признак природных сапфиров – зональное и зонально-секториальное распределение окраски в виде чередующихся чет­ких параллельных полос с различной интенсивностью окраски, располо­женных по одной прямой, под углом 120° или по сторонам правильного гексагона.

Как и в рубинах, в природных сапфирах может наблюдаться двойнико­вание. Очень характерны для природных и синтетических корундов так на­зываемые "огненные знаки" – мелкие механические трещины около ребер или в периферийных частях фасет ограненных камней, возникающие при обработке.