Искусственный бриллиант является заменителем настоящего алмаза, который не всем по карману. В настоящее время благодаря высокотехнологичному оборудованию можно получить синтетический камень, который по внешним характеристикам почти идентичен натуральному. Только истинные ценители ювелирных изделий способны отличить оригинал от искусной подделки.
На сегодняшний день выделяют несколько видов искусственно выращенных бриллиантов - это так называемый синтетический . Долгое время ученые трудились над созданием оригинальной технологии по выращиванию таких камней. И только в 1892 году химик Анри Муассан создал принципиально новый подход.
Метод сводился к использованию очень высоких температур, которым подвергался углерод. В результате этого процесса появился на свет первый искусственно выращенный бриллиант. В настоящее время применяют несколько способов получения аналога. Первый основан на высоком давлении и температуре, а второй - на применении газовой среды.
Выращивание бриллианта
Искусственные бриллианты выращивают в специальной камере. Так называемый алмазный зародыш помещают под пресс, поддерживается необходимая температура. При благоприятных условиях через 7 дней можно получить готовый бриллиант. Процесс протекает под очень высоким давлением, в результате чего можно получить качественный аналог.
Если производителя не устраивают характеристики продукта на выходе, то камень подвергают повторной обработке.
Второй способ основан на применении специальной газовой среды. Алмазное семечко помещается в камеру с более низкими показателями давления. Выпаренный углерод и водород накладываются на частицу бриллианта послойно. Химическая среда позволяет вырастить искусственные бриллианты всего за 2 дня.
Выращивание в условиях камеры позволяет получить качественные аналоги, которые по свойствам, плотности, весу и прочим характеристикам идентичны натуральным.
Некоторое время тому назад бриллианты чаще всего заменяли фианитом, чуть позже муассанитом. Хрусталь и циркон применяли для изготовления колец, так как они смотрелись более органично и придавали изделию роскошь и дополняли даже самый утонченный стиль.
Дополнительные характеристики искусственных бриллиантов
Одним из известных заменителей драгоценных камней является Нексус. Он представляет собой химическое сращивание углерода с другими соединениями. Такие аналоги хороши тем, что имеют высокие показатели прочности.
Производители дают на них почти пожизненную гарантию.
Фианит - один из самых популярных искусственно выращенных аналогов бриллианта. Производится из оксида циркония. Несмотря на прекрасные внешние характеристики, фианит является не таким прочным, поэтому его цена считается одной из самых низких среди других искусственных бриллиантов.
Муассанит - еще один аналог, который изготавливают из карбида кремния. Он превосходит практически все искусственные камни по своей красоте. Муассанит переливается на солнце и имеет неповторимый блеск, чем заслужил особенную популярность. Конечно, в отличие от других искусственных бриллиантов, он дороже, так как обладает высокими показателями прочности. Безупречный внешний вид не позволит обычному человеку отличить его от настоящего драгоценного камня.
Большинство искусственных заменителей драгоценных камней имеют цену ничуть не ниже, чем натуральные аналоги. Особенно это касается белых, прозрачных моделей, которые практически невозможно отличить от настоящего камня. Следует помнить, что натуральные камни не обладают такой безупречностью, как искусственно выращенные в условиях высокого давления и температуры. Они имеют различного рода включения, в то время как их аналоги чисты на 100 %.
Изделия с искусственными алмазами стоят намного дороже, чем просто заменители. Однако и в данном случае можно значительно сэкономить по сравнению с украшениями, которые содержат натуральный камень.
Если приобрести фианит, то нужно быть готовым к тому, что со временем он поцарапается, а его внешний вид будет оставлять желать лучшего.
Свойство данного камня впитывать масла также негативным образом сказывается на его характеристиках. Поэтому уход за украшениями очень важен для поддержания их внешнего вида.
Муассанит очень сложно отличить от настоящего природного самоцвета, однако он так сильно бликует, что это выдает его искусственность. Настоящий камень не имеет таких свойств. Конечно же, при выборе выращенного в лабораторных условиях камня следует отдавать предпочтение прозрачным изделиям. Однако, если есть желание сэкономить, то лучше приобрести цветной аналог.
На сегодняшний день выбор искусственных камней так велик, что позволяет найти достойную и бюджетную замену бриллианту. Конечно, чем дешевле будет покупка, тем ниже качество подделки.
Алмазы привлекали человечество еще с давних времен. Необычайная красота этих камней стала причиной их использования для создания разных украшений. Однако позже люди выявили и другие полезные свойства алмазов - их уникальную прочность и твердость. Для обеспечения потребностей производства природа не создала много этого материала, поэтому у людей возникла идея - изготовлять алмазы искусственным путем.
Ценность алмазов
Алмаз считается уникальным камнем, обладающим редким сочетанием важных характеристик: сильная дисперсия, большая теплопроводность, твердость, оптическая прозрачность, износостойкость. Из-за своих физико-механических свойств алмазы высоко ценятся не только ювелирными экспертами, но и широко применяются в разных отраслях промышленности. Так, этот драгоценный камень используют в медицине, оптике и микроэлектронике.
Но в полной мере удовлетворить производственные потребности чистыми природными алмазами очень сложно и довольно дорого. По этой причине человечество начало задумываться над тем, как сделать искусственный алмаз. Синтетический камень должен был не только обладать важными свойствами настоящего алмаза, но и иметь более совершенную кристаллическую структуру, что очень важно для высокотехнологических областей.
Как возникли синтетические алмазы
Потребность в создании синтетического камня возникла очень давно. Но на практике осуществлена лишь в XX веке. До этого времени ученые не могли придумать технологии изготовления алмазов, хотя сумели установить, что они являются родственниками с обыкновенным углеродом. И через несколько десятков лет был создан первый синтетический алмаз, который получили из графита под воздействием высокой температуры и давления путем Именно с этого момента началось производство искусственных алмазов, которые сегодня применяются во многих элементах разного оборудования и инструментах.
Технологии производства алмазов
В наше время для получения синтетического камня используют несколько технологий, каждая из которых имеет свои особенности. Самая надежная, но наиболее дорогостоящая технология заключается в производстве алмаза из кристаллического углерода, который помещают для обработки в специальный пресс. Сначала на обрабатываемый материал мощными насосами подается вода. Таким образом создается Затем вода замерзает под действием хладагента, в результате чего давление увеличивается до 10 раз. На последнем этапе камера, в которой находится углерод, подключается к и подается на несколько долей секунды мощный ток. Под одновременным воздействием температуры и давления происходит преобразования графита в твердый камень. После этой фазы пресс размораживают, сливают жидкость и достают готовый искусственный алмаз.
Выращивание алмаза метаном
Еще используют более простую технологию производства синтетического камня - метод взрыва, который позволяет нарастить искусственный кристалл под действием метана. Очень часто производство искусственных алмазов происходит по двум технологиям. Дело в том, что в первом случае удается получить наивысший процентный выход алмазов, но они будут очень маленькими. Вторая технология позволяет существенно нарастить полученный синтетический камень с помощью обдувания метаном под воздействием температуры около 1100 ºС. Метод взрыва дает возможность получить искусственный алмаз любой величины.
Виды искусственных алмазов
В наше время производят много разновидностей синтетических алмазов: фианит, муассанит, страз, сегнетоэлектрик, рутил, фабулит, церуссит. Наиболее совершенной подделкой алмаза считается фианит, или кубик циркония. Он являет собой Поэтому многим неоднократно приходилось слышать, как называется искусственный алмаз цирконом. Хотя он не имеет никакого отношения к натуральному дорогостоящему камню.
Фианит характеризуется большой твердостью, высокой степенью дисперсии и преломления. Благодаря своим свойствам этот камень отлично имитирует настоящий алмаз и широко используется в ювелирной промышленности. Даже эксперты невооруженным глазом практически не могут отличить подделку от оригинала, поскольку они играют одинаково.
Самым качественным аналогом алмаза считается муассанит. У него такие же физические свойства, как у натурального камня, а по оптическим показателям он даже лучше. Единственный его недостаток - он уступает в твердости.
Особой популярностью пользуются стразы, изготовленные из свинцового стекла, состоящего из окиси свинца. Благодаря своему составу эти камни потрясающе играют на свету и имеют блеск, идентичный блеску алмазов.
Где применяются синтетические алмазы
Искусственный алмаз широко используется ювелирными заводами для изготовления роскошных украшений, которые не только выглядят красиво, но и весьма доступны по цене. Изделия с поддельными камнями смотрятся не хуже и отлично носятся.
Также выращивание искусственных алмазов является неотъемлемой частью современной промышленности. На их основе производятся сверхпрочные инструменты: алмазные пилы, полирующие диски, долота, сверла, скальпели, ножи, разные резцы и пинцеты. Техника и оборудование, изготовленные из алмазного материала, позволяют обрабатывать наиболее прочные сплавы и сырье. Кроме того, алмаз обеспечивает максимальную точность в машинах и приборах.
Как создать искусственный алмаз в домашних условиях
Некоторые эксперты утверждают, что вырастить синтетический алмаз возможно в домашних условиях. Но самостоятельное изготовление искусственных алмазов потребует немало усилий и затрат времени. Мы расскажем, как вырастить минерал из соли, внешне отдаленно напоминающий алмаз.
Итак, для создания такого камня понадобится поваренная соль, химическая посуда, чистый лист бумаги и лабораторный фильтр. Сначала следует приготовить маленький кристалл. Для этого нужно наполнить химический стакан на 1/5 часть солью, залить наполовину теплой водой и перемешать. Если она растворилась, значит, нужно досыпать еще немного. Соль нужно добавлять до тех пор, пока она не перестанет растворяться. Затем раствор профильтровать в другую посуду, в которой и будет расти камень, и накрыть бумагой. Все время нужно контролировать уровень раствора. Камень не должен оказаться в воздухе. Если раствор испарился, нужно приготовить новый и долить.
Люди, которые делали такие опыты, утверждают, что на протяжении недели домашний алмаз искусственный должен заметно подрасти.
Стоимость искусственного алмаза
В современном мире синтетические камни заняли отдельный сегмент рынка ювелирных украшений. Получение искусственных алмазов постоянно усовершенствуется. Ученые изобретают новые камни, которые мгновенно получают массовую популярность, а более старые утрачивают спрос и постепенно исчезают с рынка. Например, в середине XX века для имитации алмазов в украшения вставляли искусственный рутил. Затем его заменили на фианит. А в 90-х гг. все предыдущие вытеснил муассанит.
Цены на искусственный алмаз зависят от размера, огранки и технологии производства. Многие люди ошибочно считают, что синтетические камни - это обычное стекло, и не видят в них никакой ценности. Но на самом деле такие алмазы часто стоят немалых денег, а некоторые из них являются довольно редкими. Так, иные разновидности искусственного алмаза могут стоить больше, чем природные аналоги.
Среди синтетических алмазов наиболее популярными считаются фианиты разного цвета. Их средняя стоимость за карат в ограненном виде колеблется от 1 до 5 долларов США. А известный алмазный аналог муассанит стоит намного дороже - 70-150 долларов США за карат.
Значимым факторов формирования цены на камни является цвет. Так, стоимость алмаза желтого цвета составляет 40-50 долларов за 0,2 карата, но за камень оранжево-розовой окраски в зависимости от размера придется заплатить около 3000 долларов.
Мировые лидеры
В течение последних лет мировыми лидерами по производству синтетических камней считаются Китай, Япония, США и Россия. Наиболее активно развивает это направление Китай, постоянно изобретая новые технологии синтеза.
Алмаз, так же как и графит, по своему химическому составу представляет собой чистый углерод. Они являются полиморфными модификациями одного и того же элемента, однако свойства их резко различаются. Это объясняется различием их кристаллических решеток.
Алмаз был известен в далеком прошлом, широко применяется в настоящем, велики перспективы его использования в будущем. С развитием техники, когда возникла необходимость в новых видах минерального сырья, в частности для обработки камня, металлов, твердых синтетических материалов, алмаз приобрел как бы вторую жизнь. В настоящее время существование всей обрабатывающей промышленности и машиностроения (от создания мощных агрегатов до изготовления тончайших механизмов и приборов) практически немыслимо без применения алмазов. Сейчас алмазы очень широко используются как абразивный материал (абразивные порошки, пасты, шлифовальные круги, алмазные пилы, стеклорезы и т.д.), что основано прежде всего на их чрезвычайно высокой твердости. Б последние годы все больше привлекают внимание другие исключительные свойства алмаза: его.электрические свойства при использовании в качестве полупроводников, высокое светопреломление - в оптических приборах. Находит применение его практическая амагнитность. Алмаз как кристаллическое вещество благодаря плотной упаковке атомов углерода может стать накопителем и хранителем обширной информации.
Плотность алмаза 3,513 г/см 3 , микротвердость 100,6 ГПа, модуль упругости 825 ГПа, удельное электросопротивление 10 12 - 10 14 Ом-см. Кроме углерода в кристалле алмаза всегда присутствует некоторое количество примесей, составляющих не более десятых долей процента. Основные химические элементы - примеси в алмазе: азот, кислород, водород, Fe, Ti, Mn, Si,Al.
Как известно, основные факторы, способствующие образованию алмазов - высокие давления и температура, которые имеют место в земных недрах на большой глубине.
Искусственные алмазы начали получать в целом ряде стран в середине 50-х годов XX века. Внедрение синтетических алмазов избавило от необходимости дробить большую часть природных алмазов для изготовления порошков, паст и абразивного инструмента. Выпускаются синтетические алмазы марок АСО, АСР, АСВ, АСК, АСС, САМ, АСБ и АСПК, а также микропорошки на основе синтетических алмазов АСМ и АСН размером от 1 до 630 нм.
Применяются синтетические алмазы главным образом для изготовления различных видов абразивного, лезвийного и бурового инструмента. Важнейшими областями применения алмазных инструментов являются обработка инструментов и деталей машин из металлокерамических твердых сплавов, бурение геологических и эксплуатационных скважин в твердых и абразивных породах, обработка изделий из гранита, мрамора и др. Наиболее широко порошкообразные синтетические алмазы применяются для изготовления шлифовальных кругов, предназначенных для доводки и заточки твердосплавного металлорежущего инструмента.
В настоящее время известны три метода синтеза алмазов:
в области термодинамической стабильности алмаза воздействием на исходный углеродсодержащий материал высоким статическим давлением и температурой в.течение времени, измеряемого по крайней мере несколькими секундами; .
в области термодинамической стабильности алмаза воздействием на исходный углеродсодержащий материал высоким динамическим давлением и температурой в течение времени, измеряемого микросекундами и долями микросекунд;
в области термодинамической стабильности графита, осуществляемой при атмосферном и меньшем давлениях и высокой температуре эпитаксиальным наращиванием алмаза на затравках.
Основная масса синтетических алмазов производится во всем мире по первому методу, т.е. при высоких статических давлениях. Отрицательной чертой второго метода является кратковременность действия высоких давлений и температур, из-за чего зародившиеся кристаллы новой фазы лишены возможности длительного роста и образуют поэтому весьма мелкие частицы.
Третий метод получения алмазов требует очень точного соблюдения условий проведения процесса. В противном случае на поверхности затравочных кристаллов будет образовываться как алмаз, так и графит, а затем графит покроет всю поверхность, и рост алмазной фазы прекратится.
Рациональное сочетание трех условий, необходимых для синтеза алмазов (температуры, давления и наличия определенной среды) лежит в основе методов производства синтетических алмазов при высоких статических давлениях, используемых во многих странах мира.
Многочисленные исследования отечественных и зарубежных ученых в области синтеза алмазов позволили предложить механизм превращения графита в алмаз, который подробно описывается в различных литературных источниках и объясняется перестройкой связи электронной конфигурации sp в sp 3 .
Как уже было сказано выше, для синтеза алмазов используются уг-леродсодержащие материалы: стеклоуглерод, кокс, синтетические смолы и, конечно, графит. Однако следует знать, что при синтезе алмазов исходное сырье обязательно проходит стадию графитации. Углеродсодержащее вещество до термообработки должно быть максимально однородным по химическому составу. Кроме того, распределение областей когерентного рассеяния (ОКР) по размерам должно быть достаточно узким.
Нецелесообразно использовать в качестве исходного углеродсодер-жащего вещества сажу, так как она очень мелкодисперсна. Это затрудняет набивку камер аппаратов высокого давления.
На практике в технологии синтеза алмазов используются определенные марки графита МПГ-6, ГМ-ОЗОСЧ, МГ-ОСЧ и т.д. В этом случае образуются алмазы с высоким выходом и хорошего качества. Качество синтезированных алмазов определяется их размерами и твердостью.
Поскольку синтез алмазов протекает при высоких давлениях и температурах, то необходимо иметь надежные аппараты для твердофазного синтеза, в которых достаточно длительное время можно поддерживать и высокие давления, и температуры. Нужно уметь измерять такие давления и температуры, определять степень их однородности в реакционной зоне.
Синтез алмазов проводится в специальных камерах, изготовленных из высокопрочных материалов. Такими материалами являются твердые сплавы на основе карбида вольфрама и кобальта. Подъем температуры в подобных аппаратах осуществляется пропусканием электрического тока через нагревательное устройство.
Конструкции камер высокого давления, где создаются температуры от 727°С до 2227°С весьма различны. Среди множества аппаратов такого рода рассмотрим кратко три вида наиболее распространенных конструкций: многопуансонный аппарат, аппарат типа «цилиндр - поршень» и аппарат типа «наковальня с лункой».
Представителем первого вида является тетраэдрическая установка схема которой представлена на рис. 1.14. Камера состоит из четырех пуансонов с усеченными трехгранными концами. Торцы этих пуансонов имею: вид равносторонних треугольников и ограничивают тетраэдрический объ
Рис. 1.14. Схема тетраэдрического аппарата высокого давления; а -- схема расположения 4 пуансонов; б - установка в
Сборе, верхний пуансон удален
С помощью четырех гидравлических прессов, симметрично распс ложенных в пространстве, пуансоны двигаются вдоль своей оси, образу рабочий -объем. В него помещается контейнер из рабочего вещества, вь: полненный в виде тетраэдра.
Рабочее вещество - это вещество, посредством которого передаете давление во всех установках, где проводятся высокотемпературные иссж давания при высоких давлениях. Оно должно быть твердым телом с мало сжимаемостью и удовлетворять следующим условиям:
иметь высокую температуру плавления и малую теплопровод ность;
не проводить электрический ток; быть химически инертным;
быть достаточно пластичным, чтобы с его помощью можно бь ло получать более или менее равномерное (квазигидростатическое) давл(ние в определенном объеме.
Нагреватель (чаще всего графитовая трубка) заполняется реакцию] ной шихтой и вкладывается в тетраэдрический контейнер так, чтобы конц нагревателя выходили из противоположных ребер тетраэдра. При сближ-нии пуансонов они сжимают тетраэдрический контейнер. Часть рабоче) вещества вытекает в зазоры между пуансонами, образуя уплотняющие пр< кладки. Электрический ток для создания нужной температуры подводится нагревателю через пуансоны, соприкасающиеся с нагревательным устройством.
В настоящее время для изготовления контейнеров, работающих при высоких давлениях и температурах (10 ГПа и 2700°С), применяют в основном четыре вещества: тальк или стеатит 3MgO-4SiOrH 2 O, пирофиллит Al 2 O 3 -4Si0 2 -H 2 O, литографский камень 95% СаСОз + 5% смеси 8Ю 2 , А1 2 0 3 , Fe 2 0 3 и катлинит - красную кремнистую сцементированную глину, месторождения которой находятся в США. Они несколько различаются между собой по механическим свойствам и по термоустойчивости.
Контейнеры могут изготовляться как из блоков соответствующих минералов, так и прессованием порошков из этих минералов с употреблением различных связок (жидкое стекло, бакелит и др.).
Описанная тетраэдрическая камера требует приложения к ней усилия прессового устройства по четырем осям, что вызывает немалые трудности, поэтому создают камеры, где сжатие осуществляется одним поршнем от какого-либо прессового агрегата. Ввиду этого значительное распространение получили аппараты типа «цилиндр - поршень», так называемые белт-аппараты (belt 1 - пояс). Схема аппарата показана на рис.1.15.
1.15. Схема аппарата типа белт: 1 - - пуансон, 2 - - контейнер
Рис. 1.16. Схема камеры высокого давления с поддерживающими кольцами (наковальня с лункой): 1 -пуансон, 2 - - стальное кольцо, 3 - контейнер, 4 - образец, 5 - зазор
Основными частями его являются два конических пуансона (1) из твердого сплава, на которые в несколько слоев надеты стальные бандажи. Их торцы входят в полый цилиндр из твердого сплава, также упрочненный набором бандажей. Внутрь цилиндра помещается цилиндрический контейнер из рабочего вещества (2), в котором находится нагреватель с реакционной шихтой. Нагревателем является трубка из электропроводящего материала, ось нагревателя совпадает с осью контейнера.
Вся установка помещается в гидравлический пресс. При сдвигании пуансонов рабочее вещество пластически деформируется, часть его затекает в зазоры между цилиндром и пуансоном и надежно запирает камеру сжатия. Благодаря образующимся прокладкам из рабочего вещества пуансоны оказываются электрически изолированными от цилиндра.
Нагрев осуществляется пропусканием электрического тока через нагреватель, соприкасающийся с пуансонами, к которым подсоединяются электроконтакты от источника тока.
В установке типа «белт» возможно получать давления около 20 ГПа и температуры порядка 2700°С и можно иметь большой реакционный объем. Однако детали данной конструкции весьма сложны в изготовлении, и эксплуатация ее требует высокой квалификации персонала. Поэтому в СССР была разработана более простая конструкция типа «наковальни с лункой», которая получила широкое распространение не только в лабораторных исследованиях, но и в промышленности.
На рис. 1.16 представлена схема описываемого аппарата в разрезе. Аппарат включает два одинаковых пуансона из твердого сплава (1), каждый из которых в торце имеет центральное углубление (лунку) в виде сегмента сферы, окруженное поверхностью, обработанной на конус. По боковой поверхности каждый пуансон (1) скреплен стальным кольцом (3). Между торцевыми поверхностями пуансонов помещается контейнер (2), выполненный из соответствующего рабочего вещества. Образец (4) собирается вместе с нагревательным элементом и вставляется в полость контейнера. Цифрой (5) обозначен зазор между обработанными на конус, периферическими участками поверхности пуансонов.
Высокие давление (до 7 ГПа) и температура (до 2200°С) получаются следующим образом.. Образец (углеродсодержащий материал) вместе с нагревательным элементом (4) помещается в контейнер (2), который собранным устанавливается в камеру высокого давления, образованную обращенными друг к другу торцами пуансонов (1). Камера в сборе закладывается в гидравлический пресс. При сближении пуансонов периферическая часть контейнера (2) постепенно деформируется и заполняет зазор (5). Пластическое течение материала контейнера (2) прекращается, когда при возрастании сжимающего усилия пресса достигается необходимая величина давления в камере. Электрическая мощность, необходимая для нагревания образца.(4). подается на, нагреватель через пуансоны (1), для чего один из пуансонов должен быть электрически изолирован от остальных частей аппаратуры.
В данном случае твердосплавная деталь имеет линзообразное углубление и называется «наковальней с лункой» (НЛ), а контейнер напоминает формой чечевицу. Для создания более высоких давлений камера типа НЛ была изменена. На конусной поверхности пуансона были сделаны кольцевые канавки в виде разрезанного по большому диаметру тора (рис. 1.17).
Это не влияет на принцип действия камер, но значительно повышает стойкость твердосплавной детали к разрушению. В таких аппаратах можно достичь давлений в 13 - 14 ГПа. Конструкция получила наименование «наковальня с лункой и тороидом (НЛТ)», а контейнер для нее - «тороид» (рис. 1.18).
Рис. 1.17. Схема камеры высокого ис 1.18. Осевой разрез контейнера давления типа тороид типа тороид
Важным обстоятельством, сильно влияющим на характер протекания синтеза алмазов в камерах высокого давления с твердой средой, является возникновение градиентов температуры и давления в реакционной зоне, что усложняет технологию процесса. Истинная величина температуры может быть определена непосредственно в камере синтеза термопарой. В диапазоне температур до 930°С применяются платино-платинородиевая и для более высоких температур - вольфрам-рениевая термопары.
Прямой синтез алмазов из углеродсодержащих веществ без добавки каких-либо способствующих образованию алмаза веществ (катализаторов, растворителей) протекает при очень высоких давлениях и температурах. При каталитическом синтезе удается снизить температуру и давление более чем в 2 раза (4,1 - 4,5 ГПа, 1150 - 1200°С), поэтому каталитический синтез алмазов сейчас является основным. Катализаторами являются: марганец, хром, тантал, а также сплавы, образованные этими элементами с металлами, которые каталитически неактивны для данного процесса. Кроме того, катализаторами синтеза алмазов являются сплавы переходных элементов Ti, Zr, Hf, V, W, Mo, Nb с металлами Си, Ag, Аи. Превращение графита в алмаз происходит при хорошем контакте между ним и жидким (расплавленным) металлом.
Следует отметить, что в синтетических алмазах, получаемых с помощью катализаторов, всегда наблюдаются различные включения.
Нельзя не сказать о возможности получения алмаза из газовой фазы при низких давлениях, т.е. о так называемом эпитаксиальном синтезе вещества.
Наряду с получением алмаза в условиях, когда он является термодинамически устойчивым веществом (при высоких давлениях), алмазы можнс синтезировать в области его неустойчивости, т.е. при относительно низких давлениях. Для этого проводят термическое разложение углеродсодержа-пщх газообразных веществ, например метана, ацетилена, оксида углерода и др. В реакционный сосуд предварительно вводят кристаллы алмаза. Если имеется грань кристалла алмаза, вблизи которой концентрация атомов углерода в виде пара превышает соответствующую равновесную, то избыток атомов углерода будет осаждаться на этой грани, воспроизводя кристаллическую структуру алмазной решетки. Процесс этот очень медленный. Кроме того, рабочие условия благоприятствуют образованию на поверхности подложки графита, который нужно периодически удалять с нее. Удельная производительность таких установок невелика, и сам процесс пока не нашел промышленного применения.
В области термодинамической устойчивости алмаза его можно получать в виде алмазной пыли из углеродсодержащих веществ во взрывной волне. Этот вариант синтеза следует отнести к методу динамического погружения.
Сегодня человечество научилось создавать несколько разновидностей искусственных бриллиантов, наилучшим из них по праву считается муассанит. Ценность алмаза и получаемого после его огранки бриллианта с давних пор подталкивала людей на поиск и изготовление достойного ему аналога. Так как природа одарила алмаз множеством характеристик, на протяжении нескольких сотен лет эта задача была непосильна, а все попытки замены выглядели лишь жалкими подделками.
Как и из чего получают искусственные бриллианты
Главная проблема при создании алмазов - длительность и сложность процесса. В природных условиях камень образуется тысячи лет под колоссальным давлением от 45000 до 60000 атмосфер и при температуре свыше 900 градусов, поэтому повторить весь процесс в точности с природным практически невозможно.
Первое документальное описание попытки синтезировать бриллианты датируется 1823 годом, когда наш соотечественник Василий Каразин в результате опытов с нагреванием и перегонкой сухой древесины получил неизвестные кристаллы.
Однако официально считается, что впервые камень, с наиболее похожими на бриллианты свойствами, открыл французский исследователь и нобелевский лауреат Анри Муассан. В 1905 году полученный им кристалл карбида кремния, в честь создателя, начал именоваться муассанит. Карбид кремния встречается в природе и за свое космическое происхождение часто именуется звездной пылью, но его естественный размер очень мал и имеет специфическую окраску.
Не оставляя желание создать идеальные бриллианты в лабораторных условиях ученые научились синтезировать более крупные и чистые камни. Искусственно выращенный муассанит нередко называется карбокорунд.
Большой вклад в создание искусственных бриллиантов внесли российские и советские ученые. Основную массу синтетических камней производят по разработанным ими технологиям. Сегодня муассанит получают нескольким способами, однако наиболее чистые и качественные кристаллы карбокорунда рождаются путем многочасового нагревания при температуре 2 400 ºС кристаллического карбида кремния с участием металлического катализатора (железа).
В промышленных масштабах искусственные алмазы, имеющие крупнозернистую структуру, начали производить с середины прошлого века.
Кроме описанного выше термобарического метода, при их создании используется способ осаждения кристаллов из плазмы газообразного углерода под воздействием электрической дуги и редкая детонационная технология, использующая энергию взрывной волны.
Для выращивания бриллиантов в лабораторных условиях используют вещества с высокой концентрацией углерода: очищенную сажу или уголь, графит и т.д. В зависимости от того каким образом был получены такие бриллианты, существует деление на НРНТ-и CVD-алмазы.
Сфера применения и ценность
В большинстве случаев бриллианты, полученные синтетическим путем, автоматически воспринимаются, как подделки и вызывают негативную реакцию. Такое отношение абсолютно неоправданно, так как искусственное выращивание в лабораторных условиях кристаллов имеющих физические характеристики алмазов несет неоценимый вклад в промышленность, развитие высоких технологий и ювелирное дело.
50% используемых в мире бриллиантов имеют синтетическое происхождение и созданы человеком. При этом искусственные алмазы полностью удовлетворяют нужды промышленности, где их доля составляет более 90 % от общего объема используемых камней. Применение алмазов человеком обусловлено их уникальными свойствами:
- исключительная твердость кристаллов применяется для шлифовки, резки различных материалов и бурения породы;
- благодаря долговечности алмазы незаменимы при производстве высокотехнологичного оборудования, компьютерных чипов и микросхем;
- необработанные бриллианты активно используются в работе лазеров и медицинском оборудовании;
- муассанит наивысшего качества и чистоты активно применяется в ювелирном деле.
Цена на искусственно выращенные алмазы варьируется в зависимости от вида и качества камня.
Один из самых дешевых вариантов - фианит, средняя цена за карат у которого начинается с нескольких долларов.
Для сравнения, чек на искусственное творение такого же размера может быть в десятки раз больше. Так, бесцветный муассанит будет не намного дешевле природного бриллианта, а в ряде случаев может быть дороже чем прототип.
Одним из главных критериев для определения цены, так же как и у натуральных алмазов, служит цвет. Чем труднее получить тот или иной оттенок, тем дороже будет конечная стоимость. Из-за применения железосодержащих катализаторов муассанит приобретает желтоватый оттенок. Добиться идеальной прозрачности довольно сложно, поэтому камни чистой воды стоят дороже, чем бриллианты цвета шампанского.
Отличие от природного камня
Муассанит считается самым совершенным аналогом бриллианта, который по своим характеристикам не только повторяет, но и превосходит природный прототип и имеет лишь небольшие отклонения, позволяющие отличить его от натурального алмаза. Одно из главных отличий, по которому можно узнать муассанит, кроется в его внешних характеристиках.
Всем известно, что ценность бриллианта кроется не только в его редкости и твердости, но и в высоком коэффициенте преломления света равном 2,418. Показатель преломления которым обладает муассанит выше на 25 %. Поэтому лабораторный камень с правильной огранкой сверкает в лучах света гораздо ярче. Ограненный алмаз из земных недр также проигрывает выращенному человеком бриллианту в дисперсии, и искрит в десятки раз меньше.
Долгое время не удавалось получить муассанит идеально прозрачного цвета и хотя в сравнении с бриллиантом он не имеет посторонних вкраплений, цвет его всегда отличался желтизной. Несколько лет назад эта проблема была решена и теперь в соревновании чистоты естественные алмазы также проигрывают.
Строение карбокорунда очень близко к бриллиантам, поэтому далеко не каждый прибор может выявить различия между этими близнецами.
Даже опытные ювелиры и специалисты с большим стажем, для того чтобы уверенно говорить о бриллианте как о природном, проверяют камни сразу по нескольким показателям, среди которых: твердость, удельная масса, определение коэффициента отражения, анализ электропроводности и разнообразные оптические тесты.
Чаще всего разницу можно заметить визуальным сравнением двух камней с одинаковой каратностью. Обычно муассанит выгодно отличается и выглядит более искристым и блестящим. Но и этот факт не всегда позволяет определить со 100% точностью, где природные бриллианты, а где нет.
Использование высокотехнологичных бриллиантов в ювелирном деле
Несмотря на то, что муассанит появился совсем недавно, он уже имеет популярность не только как аналог бриллиантов, но и как вполне самостоятельный камень с отличными ювелирными характеристиками, которые встречаются только в алмазах наивысшей пробы. Развитие технологий ведет к тому, что вскоре человек научится контролировать появление цветных алмазов высокотехнологичным путем, что повлечет рождение новой эпохи в ювелирном искусстве. А возможность замены природного камня искусственными бриллиантами рано или поздно снизит рыночную стоимость украшений и сделает их более доступными.
Уже сейчас по своим эстетическим характеристикам лабораторный алмаз не имеет себе равных и не выглядит как имитация.
Ограненный муассанит заслуживает оправы из самых дорогих драгоценным металлов, так как искрится и переливается не хуже бриллиантов. Особенного оптического эффекта сияния и глубины удается добиться в оправе из белого золота, платины и серебра. Искусно ограненный муассанит выглядит благородно в кольцах, колье, браслетах, серьгах и во многих других украшениях. Его роскошный блеск, по сравнению с «более вечерними» бриллиантами, раскрывается в любое время суток.
Прекрасным ювелирным изделиям с такими искусственными бриллиантами, как муассанит покорились практически все города мира, в том числе и Москва. Разнообразие украшений настолько велико, что удовлетворяет вкусам самых взыскательных покупателей.
В этой статье:
Начали делать не так давно. Этот процесс не является таким уж лёгким, а требует серьезных затрат. Применение такого искусственного кристалла не ограничивается только ювелирным делом, алмазы очень нужны в технике. Например, из них изготавливают специальный режущий инструмент. Для того чтобы понять, что собой представляют искусственные алмазы, нужно для начала разобраться, что такое настоящий алмаз.
Алмаз - самый твердый минерал в мире
Прежде всего, то, что мы видим в ювелирном магазине - это бриллиант. Бриллиант - это алмаз, который прошел специальную предварительную обработку ювелирами. C точки зрения химии, он представляет собой углерод кубической формы и строения кристаллов. Что интересно, углерод в зависимости от того, как построена структура, может выступать в виде многих веществ, которые имеют разные свойства и применение.
Искусственные алмазы
Например, всем известно, что сейчас в мире переходят на нанотехнологии. Нанотехнологиями называют такие технологии, суть которых построена на объектах очень малой величины - тысячных долях микрона. Одними из таких объектов являются нанотрубки. Так вот, наименьшие нанотрубки, а именно, самого маленького диаметра, также являются формой углерода. Дело в том, что один атом вещества может объединяться с пятью другими, что и так представляет собой компактную структуру. Среди атомов, которые обладают такими возможностями, имеет самую маленькую массу, а соответственно и радиус атома.
Если атомы углерода объединяются во что-то похожее на мяч для футбола - это называться фуллеренами. Фуллерены и нанотрубки, а также монослой углерода - графен, за получение которого недавно вручили Нобелевскую премию, в будущем, скорее всего, будут очень широко использоваться в технике. Они интересны своими сверхпрочными свойствами, а также проводимостью, низким сопротивлением и размерами. Наибольшая ценность нанотрубок - выступать как проводниками, так и полупроводниками, в зависимости от того, как ориентированы атомы между собой. За этим будущее электроники.
До сих пор ученые не пришли к однозначному выводу о том, . Основная версия говорит о том, что кристаллы формируются глубоко в Земле (более чем в 200 километрах) под большим давлением и огромной температурой. А потом уже магма их выбрасывает на поверхность. Существует также версия, что алмаз представляет собой внеземную структуру и прилетает на Землю вместе с метеоритами. Еще одна версия тоже говорит о космическом происхождении: якобы бриллианты формируются при падении метеорита, когда создается высокое давление.
Камни очень редкие и красивые. Ценятся они не только за красоту, но и за то, что обладают уникальными свойствами:
- алмаз имеет самую высокую твердость среди минералов;
- температура его плавления доходит до 4000 градусов;
- теплопроводность самая высокая среди всех известных твердых тел;
- он относится к диэлектрикам;
- имеет уникальное преломление света, под действием различных лучей может начать светиться;
- не растворяется в кислоте.
История получения минералов
В 1797 году было открыто, что алмаз состоит из чистого углерода. С тех пор начались попытки повторить процесс в условиях лаборатории. Наиболее успешными стали работы Ханней и Муассана, в 1893 году они нагревали их до температуры 3000 градусов Цельсия с высокой скоростью нагрева и добавлением железа. В отличие от Ханнея, который использовал трубку для нагрева, Муассан использовал электродуговую печь со стержнями углерода, располагавшимися внутри блоков извести.
Расплавленное железо после нагрева быстро охлаждали водой. Все это делали для того, чтобы обеспечить высокое давление. Подобные эксперименты повторялись и в дальнейшем. Например, в 1909 году успеха достиг Крукс и через несколько лет об этом заявил. Однако позже такое заявление было опровергнуто.
Первый официальный искусственный алмаз был создан в 1926 году. Для его создания были объединены все методы, которые перечислены выше. Сейчас этот образец до сих пор хранится в музее в Соединенных Штатах Америки.
Но это еще был не тот образец, который можно было бы поставить на серийное производство. Наибольший вклад в создание и разработку методов получения бриллиантов вложил Сэр Чарльз Алджернон Парсонс - именно он на протяжении 40 лет пытался повторить самые первые опыты Ханнея и Муассана. Он был очень кропотливым и сохранил полученные образцы для дальнейших исследований. Позже заявил, что всё, что было создано до этого, не является искусственным бриллиантом.
В 1941 году к разработке методики получения алмазов присоединяется компания General electrics. У них получилось нагреть углерод до 3000 градусов и получить давление 5 ГПа. Однако им помешала Вторая мировая война, и только через 10 лет они возобновили работы по проекту. Во время этих разработок использовались наковальни из карбида вольфрама в гидравлическом прессе. Однако все условия синтеза были настолько неопределёнными, что эксперименты повторять не удавалось.
В 1954 году был создан первый искусственный алмаз, который годился для коммерческого синтеза. Однако он был очень маленького диаметра, всего доли миллиметра, поэтому не мог быть использован в украшениях, зато хорошо подходил для промышленности. Описание работы по его созданию было опубликовано в самом престижном научном журнале Nature.
С 1953 года компания ASEA - производитель электроники из Швеции - тоже начала заниматься независимым синтезом алмазов. Работа шла, используя громоздкий аппарат, который поддерживал давление на уровне 8,4 ГПа на протяжении часа. Но им тоже удалось получить экземпляры только маленького размера.
В Корее в восьмидесятых годах появился конкурент по созданию алмазов - компания «Ильин Алмаз». Она заполучила коммерческую тайну от General Electric и смогла синтезировать синтетические алмазы в 1988 году. После этого вышел и Китай на рынок с огромным количеством предприятий.
Как сегодня выращивают алмазы?
В промышленном производстве сейчас более широко используется технология выращивания кристаллов при высоких давлениях и температурах, называемая HPHT, а также технологии CVD. Менее употребляемыми методиками считаются синтез монокристаллов алмаза при взрыве и метод получения микронных алмазов из суспензии частиц графита в органических растворителях под действием ультразвука.
Технология HPHT включает в себя получение алмазов при температуре 1500 градусов и давлении 50 атмосфер. Установка, которая представляет собой гидравлический пресс, сжимает специальный контейнер, внутри которого находится металлический расплав и графит. В качестве расплава используется железо, никель кобальт или другие металлы. На подложке размещаются затравки - небольшие кристаллы алмаза. Сквозь камеру проходит ток, который нагревает расплав до нужной температуры. В таком случае металл служит растворителем или катализатором кристаллизации.
Кристаллы выращиваются на заправке в форме алмаза. Процесс выращивания более-менее крупного или нескольких мелких кристаллов длиться в среднем около 12 суток. Сейчас производство искусственных алмазов доходит до выпуска миллиардов каратов в год. В 1970, используя эту технологию, впервые научились добывать камни маленького веса и качества.
С 1960-х годов начали разработку более дешевой технологии получения алмазов CVD, что означает Chemical Vapor deposition, которая представляет себя осаждение из фазы газа.
Синтез проходит при осаждении углерода на подложку в среде из водородного газа, который ионизируется с помощью излучения и высоких температур. При осаждении поликристаллический алмаз (кремний) получает пластины, имеющие ограниченное применение в электронике и оптике.
Скорости роста абсолютно разные, которые могут достигать и 100 микрометров в час. Толщина пластин обычно ограничена 2-3 миллиметрами, поэтому полученные алмазы можно использовать в качестве ювелирных, но не превышающих 1 карата. Возможности этого момента начали популяризоваться в 2000-х и привлекли внимание как стартапов, так и больших корпораций, что дало сильный толчок к развитию метода.
Потенциал HPHT в последнее время был сильно недооценен, и все внимание и ресурсы были сосредоточены на совершенствовании метода химического осаждения. Эта технология, как казалось, была неприменима для выращивания кристаллов большого размера и высокого качества. Но в последнее время технологии совершенствуются и получаются искусственные алмазы такого качества и размера, какими раньше могли быть только натуральные.
Которые чаще всего имеют прозрачные цвета, заключается еще в том, что синтетические обладают легким оттенком. Азот, который рассеивается в структуре решетки во время роста алмаза, поглощает голубой цвет, в результате чего синтетический алмаз приобретает желтоватый оттенок.
Другие заменители бриллиантов
Помимо искусственных бриллиантов, широко используются их заменители, которые вошли в ювелирную промышленность в семидесятых годах прошлого века. Сначала Физический институт Академии Наук получил фианиты, которые представляли собой . Это, так сказать, стекляшка среди алмазов. Позже появились такие , как хрусталь, циркон, белый сапфир. Особенной популярностью пользовались такие камни в изготовлении перстней в викторианском стиле.
Также появился такой заменитель бриллиантов, как нексус, который представляет собой соединения углерода с другими веществами и отличается прочностью и твердостью.
Для изготовления фианитов используется диоксид циркония. Он считается наименее прочными из всех заменителей бриллиантов, а соответственно, и самым дешевым. Муассанит, который синтезируется из карбида кремния и является самым прочным из всех камней, похожих на бриллианты, и обладает такими внешними характеристиками, что его даже сложно отличить от настоящего камня. Отличие всех искусственных камней от натуральных, которое можно заметить невооруженным глазом - это стоимость, для остальных отличий необходимо оборудование и опыт.
Однако иногда синтетические бриллианты по цене не уступают натуральным, потому что огромные затраты расходуются на их производство. Основное отличие искусственного бриллианта от натурального в том, что в натуральных бриллиантах присутствуют неоднородности и включения, которые отсутствуют у искусственно полученных минералов.
Приобрести украшения из синтетического бриллианта можно, и это будет значительная экономия по сравнению с натуральным. Если вы хотите купить украшение максимально недорого, то отдавайте предпочтение фианитам. Их сияние не уступает натуральному бриллианту, но у него немного хуже характеристики прочности и твердости, что влияет на эксплуатационные свойства. Муассанит обладает наиболее ярким блеском, что в некотором роде создает эффект дискотеки. Фианит не обладает таким сиянием, как алмаз искусственный или муассанит, но лучше отбрасывает блики.
Муассаниты практически не поддаются внешнему воздействию, а вот фианиты со временем царапаются и впитывают масло. Кроме того, если за ними не ухаживать, на поверхности камня скапливаются царапины, он становится мутным.
Таким образом, технология получения бриллиантов до сих пор находится в стадии разработки. В отличие от рубинов и сапфиров, получить бриллиант любого размера или качества невозможно, и часто он может быть дороже оригинального, так как затрачивается огромное количество времени и ресурсов.
