Вопреки распространённым заблуждениям алмазы в природе находятся вовсе не по всей поверхностью земной коры. Углерод - неметалл, являющийся основой этого минерала, становится алмазом только при воздействии крайне высоких температур и давления на глубине от 160 до 480 км . «Колыбелью» подавляющего количества кристаллов являются вулканы, именно благодаря им алмазы оказываются ближе к поверхности, поэтому разработка карьеров ведётся в районах с повышенной вулканической активностью. Часть минералов просто вымывается из кимберлитовых трубок.

Происхождение алмазов до сих пор неясно, на этот счёт до сих пор ведутся многочисленные споры. Точно удалось определить только одно - место и время их образования. Большая часть учёных соглашается с тем, что алмазы возникли в мантии нашей планеты в период 100 млн. — 2,5 млрд. лет тому назад. Углерод на глубине 200 км под воздействием температур 1300 °С и при давлении в 4-5 ГПа постепенно сформировал алмазную кристаллическую решётку. Известны случаи образования алмазных залежей на глубине 700 км.

Самые популярные теории, по которым алмазы образуются в вулканических породах:

1. Углерод попал в застывающую магму в составе углеводородов, так возникли алмазы в верхних слоях коры нашей планеты.
2. Неметалл кристаллизовался очень глубоко - на глубине уже ультраосновных пород, после чего залежи были увлечены потоками магмы наверх.
3. Последняя теория наиболее популярная. Основная часть кристаллов возникла в ультраосновной породе, а некоторые алмазы возникли уже в процессе подъёма этой породы к поверхности коры.

Настоящий алмаз - неметалл, который на самом деле не так уж и редок. Причина его дороговизны в том, что человечеству доступно лишь малое число месторождений, в то время как основные залежи находятся слишком глубоко под землёй.

Алмаз — самый твёрдый минерал, кубическая полиморфная (аллотропная) модификация углерода(C), устойчивая при высоком давлении. При атмосферном давлении и комнатной температуре метастабилен, но может существовать неограниченно долго, не превращаясь в стабильный в этих условиях графит. В вакууме или в инертном газе при повышенных температурах постепенно переходит в графит.

Смотрите так же:

СТРУКТУРА

Сингония алмаза кубическая, пространственная группа Fd3m. Элементарная ячейка кристаллической решетки алмаза представляет собой гранецентрированный куб, в котором в четырех секторах расположенных в шахматном порядке, находятся атомы углерода. Иначе алмазную структуру можно представить как две кубических гранецентрированных решетки, смещенных друг относительно друга по главной диагонали куба на четверть её длины. Структура аналогичная алмазной установлена у кремния, низкотемпературной модификации олова и некоторых других простых веществ.

Кристаллы алмаза всегда содержат различные дефекты кристаллической структуры (точечные, линейные дефекты, включения, границы субзерен и тп.). Такие дефекты в значительной степени определяют физические свойства кристаллов.

СВОЙСТВА

Алмаз может быть бесцветными водянопрозрачным или окрашенным в различные оттенки желтого, коричневого, красного, голубого, зеленого, черного, серого цветов.
Распределение окраски часто неравномерное, пятнистое или зональное. Под действием рентгеновских, катодных и ультрафиолетовых лучей большинство алмазов начинает светиться (люминесцировать) голубым, зелёным, розовым и др. цветами. Характеризуется исключительно высоким светопреломлением. Показатель преломления (от 2,417 до 2,421) и сильная дисперсия (0,0574) обуславливают яркий блеск и разноцветную «игру» огранённых ювелирных алмазов, называемых бриллиантами. Блеск сильный, от алмазного до жирного.Плотность 3,5 г/см 3 . По шкале Мооса относительная твердость алмаза равна 10, а абсолютная — в 1000 раз превышает твёрдость кварца и в 150 раз — корунда. Она самая высокая как среди всех природных, так и искусственных материалов. Вместе с тем довольно хрупок, легко раскалывается. Излом раковистый. С кислотами и щелочами в отсутствие окислителей не взаимодействует.
На воздухе алмаз сгорает при 850° С с образованием СО 2 ; в вакууме при температуре свыше 1.500° С переходит в графит.

МОРФОЛОГИЯ

Морфология алмаза очень разнообразна. Он встречается как в виде монокристаллов, так и в виде поликристаллических срастаний («борт», «баллас», «карбонадо»). Алмазы из кимберлитовых месторождений имеют только одну распространенную плоскогранную форму — октаэдр. При этом во всех месторождениях распространены алмазы с характерными кривогранными формами — ромбододекаэдроиды (кристаллы похожие на ромбододекаэдр, но с округлыми гранями), и кубоиды (кристаллы с криволинейной формой). Как показали экспериментальные исследования и изучение природных образцов в большинстве случаев кристаллы в форме додекаэдроида возникают в результате растворения алмазов кимберлитовым расплавом. Кубоиды образуются в результате специфического волокнистого роста алмазов по нормальному механизму роста.

Синтетические кристаллы, выращенные при высоких давлениях и температурах, часто имеют грани куба и это является одни их характерных отличий от природных кристаллов. При выращивании в метастабильных условиях алмаз легко кристаллизуется в виде пленок и шестоватых агрегатов.

Размеры кристаллов варьируют от микроскопических до очень крупных, масса самого крупного алмаза «Куллинан», найденного в 1905г. в Южной Африке 3106 карат (0,621кг).
На изучение огромного алмаза было потрачено несколько месяцев и в 1908 году он был расколот на 9 крупных частей.
Алмазы массой более 15 карат — редкость, а массой от сотни карат — уникальны и считаются раритетами. Такие камни очень редки и часто получают собственные имена, мировую известность и своё особое место в истории.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Хотя при нормальных условиях алмаз метастабилен, он в силу устойчивости своей кристаллической структуры может существовать неопределенно долго, не превращаясь в устойчивую модификацию углерода — графит. Алмазы, которые вынесены на поверхность кимберилитами или лампроитами кристаллизуется в мантии на глубине 200 км. и более при давлении более 4 Гпа и температуре 1000 — 1300 ° С. В некоторых меторождениях встречаются и более глубинные алмазы, вынесенные из переходной зоны или из нижней мантии. Наряду с этим, они выносятся к поверхности Земли в результате взрывных процессов, сопровождающих формирование кимберлитовых трубок, 15-20% которых содержит алмаз.

Алмазы встречаются также в метаморфических комплексах сверхвысоких давлений. Они ассоциируют с эклогитами и глубокометаморфизованными гранатовыми гнейсами. Мелкие алмазы в значительных количествах обнаружены в метеоритах. Они имеют очень древнее, досолнечное происхождение. Также они образуются в крупных астроблемах — гигантских метеоритных кратерах, где переплавленные породы содержат значительные количества мелкокристаллического алмаза. Известным месторождением такого типа является Попигайская астроблема на севере Сибири.

Алмазы редкий, но вместе с тем довольно широко распространённый минерал. Промышленные месторождения алмазов известны всех континентах, кроме Антарктиды. Известно несколько видов месторождений алмазов. Уже несколько тысяч лет алмазы добывались из россыпных месторождений. Только к концу XIX века, когда впервые были открыты алмазоносные кимберлитовая трубка, стало ясно, что алмазы не образуются в речных отложениях. Кроме этого алмазы были найдены в коровых породах в ассоциациях метаморфизма сверхвысоких давлений, например в Кокчетавском массиве в Казахстане.

И импактные, и метаморфические алмазы иногда образуют весьма масштабные месторождения, с большими запасами и высокой концентрацией. Но в этих типах месторождений алмазы настолько мелкие, что не имеют промышленной ценности. Промышленные месторождения алмазов связаны с кимберлитовыми и лампроитовыми трубками, приуроченными к древним кратонам. Основные месторождения этого типа известны в Африке, России, Австралии и Канаде.

ПРИМЕНЕНИЕ

Хорошие кристаллы подвергаются огранке и используются в ювелирном деле. Ювелирными считаются около 15% добываемых алмазов, еще 45% считаются околоювелирными, то есть уступают ювелирным по размеру, цвету или чистоте. В настоящее время общемировой объем добычи алмазов составляет порядка 130 миллионов карат в год.
Бриллиант (от франц. brillant — блестящий), — алмаз, которому посредством механической обработки (огранки) придана специальная форма, бриллиантовая огранка, максимально раскрывающая такие оптические свойства камня, как блеск и цветовая дисперсия.
Совсем мелкие алмазы и осколки, непригодные для огранки, идут в качестве абразива для изготовления алмазного инструмента, необходимого для обработки твёрдых материалов и огранки самих алмазов. Скрытокристаллическая разновидность алмаза чёрного или тёмно-серого цвета, образующая плотные или пористые агрегаты, носит название Карбонадо , обладает более высоким сопротивлением истиранию, чем у кристаллов алмаза и благодаря этому особенно ценится в промышленности.

Мелкие кристаллы также в больших количествах выращиваются искусственным путём. Синтетические алмазы получают из различных углеродсодержащих веществ, главным образом из графита, в спец. аппаратах при 1200-1600°С и давлениях 4,5-8,0 ГПа в присутствии Fe, Co, Сr, Мn или их сплавов. Они пригодны для использования только в технических целях.

Алмаз (англ. Diamond) — C

КЛАССИФИКАЦИЯ

Strunz (8-ое издание)	1/B.02-40
Dana (7-ое издание)	1.3.5.1
Dana (8-ое издание)	1.3.6.1
Hey’s CIM Ref.	1.24

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Цвет минерала	бесцветный, желтовато-коричневый переходящий в жёлтый, коричневый, чёрный, синий, зелёный или красный, розовый, коньячно-коричневый, голубой, сиреневый (очень редко)
Цвет черты	никакой
Прозрачность	прозрачный, полупрозрачный, непрозрачный
Блеск	алмазный, жирный
Спайность	совершенная по октаэдру
Твердость (шкала Мооса)	10
Излом	неровный
Прочность	хрупкий
Плотность (измеренная)	3.5 — 3.53 g/cm3
Радиоактивность (GRapi)	0
Термические свойства	Высокая теплопроводность. На ощупь холодный, поэтому алмаз называют на сленге «лед»

Сегодняшняя статья посвящена самому любимому среди женщин минералу на земле – алмазу. Сегодня мы рассмотрим такие интересные вопросы, касающиеся бриллиантов как: физические свойства алмаза, процесс образования этого минерала, где находят алмазы, как происходит огранка и какой же самый крупный алмаз в мире. Итак, приступим.

Как образовываются алмазы?
Большинство природных алмазов образовываются при сверх высоком давлении и температуре, которые происходят глубоко в мантии Земли на глубине от 140 до 190 километров. При этом из углеродосодержащих минералов начинает образовываться алмаз, рост которого происходит в течение периода с 1 млрд. до 3,3 млрд. лет. За последнее время
ученые научились выращивать алмазы в лабораторных условиях.

Физические свойства алмаза.
В переводе с древнегреческого языка слово «алмаз» означает нерушимый. Алмаз является самым твердым природным веществом на Земле, он в 58 раз прочнее, чем следующий самый твердый минерал - корунд, из которого состоят рубины и сапфиры. Также этот минерал обладает самой высокой теплопроводностью среди всех твердых веществ.
Но если алмаз кинуть в печь то он сгорит без следа, не останется даже пепла, при этом выделится лишь немного углекислого газа. Однако если убрать кислород, а температуру повысить до 4000С, то его можно расплавить до жидкого состояния.
Алмазы также обладают интересными оптическими свойствами. Оказывается под воздействием ультрафиолетовых, катодных и рентгеновских лучей алмазы светятся или люминесцируют.

Где находят алмазы?
Алмазы попадают на поверхность Земли с вулканическими извержениями. Породы содержание алмазы называются кимберлитовыми. Часто алмазы вымывает из горных пород, при этом бриллианты концентрируются в руслах рек и местах впадения в океан. Странами в которых сконцентрировано наибольшее количество месторождений алмазов являются Россия, Ботсвана, Канада, ЮАР, Ангола и Намибия.

Огранка алмазов.
Как вы думаете, чем отличается алмаз от бриллианта? Не буду томить, алмаз это минерал выкопанный из породы в первозданной форме и виде, а бриллиант это тот же камень, но уже прошедший искусную огранку.
Основными видами огранки являются:
Круглая (насчитывает стандартное количество граней -57)
Фантазийная (к ней относятся овальная форма, груша, радиант, принцесса и др.)

При выборе формы огранки отталкиваются от первоначальной формы алмаза. Потеря веса алмаза при огранке составляет в среднем от 55 до 70% от первоначального. Чтобы бриллиант имел максимальное количество карат, огранщики стараются свести к минимуму потери веса.

Какой самый крупный алмаз в мире?
Самый крупный алмаз в мире был найден в Южной Африке и назван Куллинан. Он весил 3,106.75 карат, однако его разрезали на части. Самая крупная – Большая Звезда Африки (Куллинан I) весом в 530.2 карата, Малая Звезда Африки (Куллинан II) – 317.4 карат и еще 104 бриллианта безупречной прозрачности и цвета. В настоящее время Малая Звезда Африки является украшением британской короны (на фото). Большая Звезда Африки украшает королевский королевский скипетр (на фото выше).

Документально Большая Звезда Африки не самый крупный бриллиант в мире. Безымянный Браун, алмаз весом в 700 карат после огранки похудел до 545карат, но этого достаточно для того чтобы выбороть первое место среди самых больших бриллиантов в мире. Понадобилось 3 гола работы над огранкой и штат из специалистов чтобы закончить этот шедевр.


Качество алмазов.
Оказывается не все алмазы прозрачные. Различные примеси придают алмазам синие, красные, оранжевые, желтые, зеленые и даже черные цвета. Яркие синие, зеленые и розовые алмазы являются очень редкими, однако они не самые дорогостоящие. Самый дорогой алмаз – красный.
Нам кажется, что алмазы очень редки, труднодобываемы и поэтому их цена так высока. На самом деле алмазы на Земле в изобилии, каждый год добываются многие тысячи. 80% от их количества не подходят для украшений и используются в промышленности или дешевых кольцах.


Знаменитый бриллиант Голубое сердце, который носила Кейт Уинслет в фильме Титаник. Он был найден в южноафриканской шахте Премьер. Этот бриллинт весит 30,82 карат и был огранен в Париже в 1909 году. С тех пор его многократно перепродавали. Он был во владении ювелирного дома Картье и многих других ценителей. В данный момент Голубое сердце находится в США в бриллиантовой коллекции одного из музеев. Надеемся наша статья помогла вам узнать что-то новое и интересное про алмазы и бриллианты нашей земли. © Inga Korneshova. Статья написана специально для сайта сайт

Для справки: 1 грамм = 5 карат

Происхождение алмазов — это один из самых удивительных процессов в мире, а сам алмаз — это очень интересный минерал, рождающийся на нашей планете. Он одновременно самый редкий и самый широко распространенный. Это наиболее твердый материал на планете. О его происхождении и возрасте до сих пор ничего не известно. Его добывают уже несколько тысяч лет, но истинные его месторождения нашли лишь недавно. А еще это один из самых красивых драгоценных камней, который будоражит умы миллионов людей и заставляет платить за него баснословные деньги.

Происхождение алмаза

Алмаз — это кристалл чистого углерода, самый твердый материал, который рождается в недрах Земли. Самые чистые, то есть прозрачные и не имеющие никакого цвета, это наиболее дорогие драгоценные камни в мире. Если говорить о его твердости, то алмазу присвоено значение 10 по таблице Мооса, ученого, классифицировавшего твердость камней и минералов. Однако предшествующий ему корунд, имеющий по шкале твердости значение 9, значительно уступает алмазу в этом качестве примерно в 180 раз. Это сопоставление дает обывателю примерное представление об истинной .

Ученые разделяют алмазы на две группы по их происхождению:

1. Метеоритные.
2. Земного происхождения.

Первая группа — чрезвычайно редкие находки в виде небольших вкраплений в найденных учеными метеоритах. Также камни находят в местах, куда эти метеориты приземлились, такие алмазы называют импактными. Первый такой камень нашли в Мордовии русские ученые еще в XIX веке. Сегодня такие залежи метеоритных алмазов сохраняются, например, в Якутии, где находится известная Попигайская астроблема (кратер в 100 километров, возникший от удара метеорита). Драгоценных камней здесь очень много, но из-за слишком мелкого размера их не добывают промышленным способом. Однако, несмотря на фактические находки, ученые не нашли ответ на вопрос о том, каково происхождение алмазов в метеоритах. Основная гипотеза состоит в том, что алмаз образовался внутри метеорита во время их столкновений в поясе астероидов. Также точно не известно о происхождении импактных алмазов, но наука предполагает, что в процессе столкновения с Землей, благодаря огромному давлению и температуре внутри метеорита, углерод преобразовывается в алмаз. Однако все это лишь догадки.

Теории происхождения

Что касается камней земного происхождения, здесь теорий о том, откуда берутся алмазы, еще больше. Среди основных гипотез происхождения минерала в недрах Земли особо достоверными считаются следующие:

1. Магматическая.
2. Мантийная.
3. Флюидная.

Есть ряд фантастических теорий, не принимаемых всерьез официальной наукой.

Наиболее популярными теориями о том, как образуются алмазы, являются магматическая и мантийная. Они зародились в мантии Земли в период от 100 миллионов до нескольких миллиардов лет назад. Образовались они на глубине от 100 до 200 км, где под влиянием большого давления (до 60 тысяч атмосфер) атомы углерода сформировывают кристаллическую решетку. Так и образовываются алмазы.

Затем готовые камни были вынесены на поверхность Земли магматическими породами в процессе взрывов, происходящих в глубине Земли. Эти взрывы образуют кимберлитовые трубки в толще земли, в которых и .

Причем среди ученых ведутся споры и о механизме «подъема» породы на поверхность. Среди теорий наиболее достоверной считается та, которая говорит о происхождении алмазов в ультраосновной магме и частично в процессе ее подъема к поверхности Земли.

Где находят алмазы?

Они найдены на всех континентах Земли за исключением Антарктиды. Месторождений этого минерала в природе много, и сам по себе алмаз не редкость, в своих месторождениях он бывает в высокой концентрации, но в большинстве случаев его размеры настолько малы, что не позволяют добывать камни промышленно. Так и получается, что минерал одновременно очень распространен и весьма редок.

Самое первое месторождение нашли в Индии еще в XVII веке, там добывают камни и сегодня, но в небольших количествах, так как за несколько веков разработки месторождения истощились. Сегодня лидерами по добыче алмаза являются Ботсвана, Россия и Канада. В России добычу ведут с XIX века, а сегодня основными источниками на территории страны являются Якутия, Пермский край и Архангельская область.

Сегодня промышленно добывают алмазы в двух видах месторождений:

• коренные месторождения, среди которых различают кимберлитовые и лампроитовые трубки;
• вторичные месторождения — россыпи (они образуются в местах разрушения коренных месторождений, и часто их находят совершенно случайно).

Основное место добычи промышленным методом — трубки. Лапмроиты — это магматические горные породы, образующие в толще земли трубки. В Западной Австралии в 1979 году были найдены лампроитовые трубки, которые богаты залежами алмазов. Однако не все алмазы, добытые в таких трубках, пригодны для огранки и представляют собой ценность для ювелирного дела. 95% найденных в таких трубках камней используют в технических целях. Но лампроитовые трубки в месторождении Аргайл принесли добытчикам множество редчайших в природе розовых алмазов.

Кимберлитовые трубки наиболее широко распространены для промышленной добычи камней. Они отличаются от лампроитовых составом элементов, однако алмазы, добываемые и в тех, и в других трубках идентичны по своему химическому содержанию. Основные кимберлитовые трубки найдены в России, Канаде и Африке. Первая из трубок была найдена в Африке в месте под названием Кимберли, которое и дало имя первой трубке и всем последующим. Кстати, и породу, которая содержит алмазы, называют теперь кимберлитом. Здесь в конце XIX века нашли алмаз весом в 85 карат (что составляет почти 17 г), который был назван «Звездой Южной Африки». Эта находка стала причиной алмазной лихорадки. Разработки велись в так называемой Большой дыре, которую искатели сокровищ вырыли в земле практически вручную. За годы лихорадки здесь найдены большие алмазы, побившие рекорды первого крупного камня. Так, например, в Кимберли нашли камень весом в 428,5 каратов, получивший название «Де Бирс».

Вслед за первой по всему миру находят тысячи новых кимберлитовых трубок, однако только десятки пригодны для разработки.

Все дело в серьезных затратах, которые необходимо понести тому, кто занимается разработкой трубки.

На начальных этапах требуются серьезные финансовые вложения, а если учесть, что из одной тонны породы можно добывать всего от 1 до 5 каратов, то разработка, в которой присутствуют слишком мелкие камни, не будет приносить прибыль.

Как происходит добыча алмазов?

Для того чтобы получить алмаз в привычном нам виде, то есть чистый, ограненный камень, нужно провести сложную работу. Прежде всего, нужно найти его месторождение, на что может уйти несколько лет. Далее начинается его разработка. Для этого готовится территория самой разработки и места для жизни и работы персонала, который будет заниматься добычей и обработкой камней. Дело усложняется, если месторождение найдено на дне океана. Тогда для разработки потребуются специальные роботы, ищущие ценные вкрапления в толще земли под водой. Добытую машинным способом руду измельчают и сортируют на породы, выделяя кимберлитовую. Породу снова измельчают и просеивают, чтобы в итоге получить чистый кимберлит без примесей других пород, который будет являться алмазным сырьем. Это сырье на производстве еще раз отсортируют и подберут камни по весу, диаметру и классу. Чем чище и крупнее камень, тем выше его класс и, соответственно, цена на рынке.

В погоне за столь редким и желанным камнем ученые учатся выводить так называемые синтетические алмазы. Этот термин, скорее, обиходный, так как состав этих искусственных камней несинтетический, он идентичен природному. Ученые пытаются воспроизвести в лаборатории те процессы, тысячи лет происходившие в недрах Земли, чтобы из углерода создать то самое соединение, которое и составляет алмаз.

Где растут алмазы

Первые эксперименты по синтезу алмаза в Институте геологии и геофизики СО АН СССР относятся к 1979 г. В результате многолетних исследований к настоящему времени в Институте геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН создана уникальная аппаратура высоких давлений БАРС (Беспрессовый Аппарат Разрезная Сфера) и комплекс оригинальных методов выращивания крупных кристаллов алмаза с заданными свойствами, разработаны экспериментально обоснованные модели генезиса природных алмазов. В ячейке высокого давления крошечный кристаллик алмаза постепенно растет и на седьмые сутки достигает массы 6 карат. Процесс роста идет в расплаве металлов при давлении 60 тыс. атмосфер и температуре 1500 °С. В результате получается алмаз максимально высокого качества, уникальные свойства которого можно использовать в современных устройствах для достижения рекордного уровня параметров приборов твердотельной электроники. Успехи ученых лаборатории процессов минералообразования в условиях высоких давлений ИГМ СО РАН позволили начать работы по практическому применению монокристаллов синтетического алмаза. Весьма актуальным является экспериментальное моделирование процессов природного алмазообразования. Специалисты лаборатории установили, что процессы зарождения и роста алмаза контролируются главным образом содержанием карбонатов, Н 2 О, СО 2 и щелочей в глубинных флюидах и расплавах. Впервые экспериментально доказано, что карбонаты могут быть не только средой кристаллизации, но и источником углерода алмаза...

Алмаз является самым удивительным и таинственным минералом. Он всегда привлекал внимание ученых и постепенно раскрывал свои тайны. Достаточно вспомнить истории о том, как в 1772 г. французский химик Лавуазье на глазах изумленной публики сжег алмаз, доказав, что он состоит из углерода; как в 1913 г. отец и сын Брегги расшифровали структуру этого минерала; как в «голубой земле» Южной Африки были найдены первые алмазы. А еще можно вспомнить о многочисленных попытках получения искусственных кристаллов, об экзотических опытах Муассана, синтезировавшего «алмазы», которые потом оказались карбидами. Конечно, это уже история, а мы поговорим об актуальных проблемах сегодняшней алмазной науки и немножко заглянем в завтра…

Броня крепка…

Анализ существующих методов получения алмаза показывает, что подавляющее большинство из них позволяет реализовать лишь синтез алмазной фазы в кратковременных процессах спонтанной кристаллизации. Одним из основных методов, обеспечивающих выращивание достаточно крупных монокристаллов, является метод температурного градиента, в котором алмаз растет из раствора углерода в расплаве металлов. Этот метод реализуется при давлениях 50-60 тыс. атмосфер в диапазоне температур 1400-1600 °С. Следовательно, для выращивания крупных кристаллов алмаза нужна прежде всего аппаратура, способная создавать такие условия.

Лидеры в данной области – корпорации Де Бирс, Сумитомо Электрик Индастриз и Дженерал Электрик используют для получения алмаза аппараты Belt , оснащенные мощным прессовым оборудованием массой до 200 т. В нашей стране аппаратуры такого класса не было.

В 1970-х гг. в Институте геологии и геофизики СО АН СССР по инициативе д. г. -м. н. профессора А. А. Годовикова и к. г. -м. н. И. Ю. Малиновского начались работы по созданию аппаратов высокого давления. Здесь уместно сделать отступление и сказать, что в это время бриллианты из первых крупных кристаллов синтетического алмаза, полученных учеными из Дженерал Электрик, уже были подарены английской королеве. В 1978 г. мы начали работы по тематике, связанной с синтезом алмазов. А в 1979 г. уже получили первые алмазы! Очень мелкие и черные. Посмотреть на первые алмазы приходили из всех лабораторий. Коллеги из европейской части страны нашей радости не понимали и говорили обидные слова про изобретение велосипеда и его квадратные колеса. Время шло, заводы тоннами производили алмазные порошки по «скорострельным» технологиям. Наши конструкторы Э. Н. Ран, Я. И. Шурин и В. Н. Чертаков под руководством И. Ю. Малиновского делали все новые и новые аппараты, а мы старались научить эти установки работать и учились сами.

В стране по-прежнему не было крупных синтетических алмазов. Лишь к концу 1980-х гг. в Новосибирске был создан многопуансонный аппарат «разрезная сфера», на котором впервые в России мы получили крупные кристаллы синтетического алмаза ювелирного качества массой до 1,5 карат (Пальянов и др., 1990). Для получения крупных кристаллов алмаза нужно было не только создать высокие давления и температуру, но и поддерживать эти параметры постоянными в течение нескольких дней и даже управлять при таких условиях сложнейшими процессами роста кристаллов.

В результате совместных исследований с сотрудниками Американского геммологического института (The Gemological Institute of America ) в авторитетном международном журнале Gems & Gemology появилась статья с многозначным названием: «Геммологические свойства русских кристаллов синтетического алмаза ювелирного качества» (Shigley et al. , 1993). После аттестации новосибирских кристаллов в ведущих научных центрах разработанная аппаратура и комплекс технологий были признаны и получили в зарубежной литературе соответствующие названия: БАРС-аппаратура , БАРС-технологии и БАРС-кристаллы . БАРС – это беспрессовый аппарат разрезная сфера.

Три тонны высококачественной специальной стали в каждой установке высокого давления – это наша броня, которая действительно крепка. За созданием современных БАРСов стоит огромный труд десятков сотрудников института, которые в разные годы внесли свой посильный вклад в эту разработку. Исследования в области создания синтетических алмазов неизменно поддерживались академиками Н. Л. Добрецовым и Н. В. Соболевым.

Современный БАРС совсем не похож на другие установки высокого давления. Он открывается подобно гигантской ракушке, а внутри, как жемчужина, расположен стальной шар диаметром 300 мм. Шар симметрично разрезан на одинаковые сегменты. Представьте, что вы разрезали арбуз на восемь равных частей. Получились такие трехгранные пирамидки со сферическим основанием. Теперь положили их на стол коркой вниз и срезали параллельно столу самое вкусное. Получили сегменты (или пуансоны ) первой ступени.

Если вы снова соберете эти сегменты в сферу, то внутри нее получится полость в форме октаэдра. В этой полости расположены пуансоны из карбида вольфрама (твердый сплав или победит) – только этот материал выдерживает огромные давления. Шесть пуансонов второй ступени собираются в форме октаэдра, внутри размещается ячейка высокого давления. Именно в ней происходят таинственные процессы зарождения и роста кристаллов алмаза. При достижении необходимых температуры и давления углерод, находящийся в наиболее горячей зоне (исходно это графит), растворяется в расплаве металлов и транспортируется в более холодную зону, куда помещен маленький затравочный кристаллик алмаза, который постепенно растет и на четвертые сутки достигает двух карат. Конечно, это только в том случае, если вы все сделали правильно.

Алмазы бывают разные

Хорошо известно, что алмаз имеет высочайшую твердость, которая обеспечивает традиционное его использование в технике. Но алмаз, кроме того, обладает и другими уникальными свойствами. Это ковалентный широкозонный полупроводник с теплопроводностью, в пять раз превышающей теплопроводность меди. Его характеризует высокая подвижность носителей тока, химическая, термическая и радиационная стойкость, а также способность легироваться электрически активными примесями. Мы привыкли к тому, что само слово «алмаз» автоматически подразумевает полезность всего, что с ним связано. И это совершенно справедливо.

Однако реальная картина выглядит гораздо сложнее и интереснее. Нас прежде всего интересует максимально высокий уровень качества, который условно назовем приборным. Именно на этом уровне алмаз должен проявить себя в современных приборах и устройствах как монокристалл, обладающий уникальными свойствами. Современная микроэлектроника на базе германия и кремния использует практически предельные возможности этих материалов. Поскольку алмаз является последним в ряду полупроводников с алмазным типом структуры, то именно он рассматривается как материал, на котором может быть достигнут рекордный уровень параметров приборов твердотельной электроники.

Массированный характер инвестиций в «алмазные» проекты за рубежом привел к впечатляющим результатам, однако эпоха широкого применения алмаза в высокотехнологических областях науки и техники пока еще не наступила. Одной из сдерживающих причин эксперты считают недостаточное качество как природных, так и синтетических алмазов. Уже давно ясно, что, даже лучшие из природных алмазов крайне неоднородны по дефектно-примесному составу и, соответственно, различны по свойствам.

Следовательно, задачи выращивания крупных высококачественных монокристаллов алмаза, исследование их реальной структуры и свойств весьма актуальны, поскольку в итоге направлены на получение алмазов с заданными свойствами для высокотехнологических применений. Следует подчеркнуть, что в таких индустриально развитых странах, как США и Япония, исследования и разработки по этому направлению проводятся в рамках крупных национальных программ. Да и у нас в стране ситуация в этой области постепенно улучшается.

О полезных и вредных дефектах… и немного о радуге

Итак, современной науке и технике нужны высококачественные кристаллы алмаза с различными полезными свойствами. Задача непростая, если учитывать наличие дефектов в кристаллах.

Дефектов много, они разные и условно делятся на две группы: «вредные» и «полезные». Например, включения – частички среды кристаллизации, которые кристалл захватил в процессе роста, дислокации – линейные нарушения структуры и планарные дефекты – микродвойники и дефекты упаковки. Это дефекты первой группы. Желательно, чтобы их в кристалле было как можно меньше или не было совсем.

Другая группа – это примесные и собственные дефекты , или дефектно-примесные центры. Это «полезные» дефекты, поскольку именно они определяют многие свойства кристаллов. Важно понять, какие центры отвечают за то или иное свойство, а затем создать в кристалле нужную концентрацию этих центров.

Задача сложнейшая, учитывая, что процесс роста кристаллов алмаза идет при давлении 60 тыс. атм. и температуре 1500 °С. Тем не менее мы уже научились получать кристаллы без включений, минимизировать плотность дислокаций и дефектов упаковки.

Высококачественный кристалл синтетического алмаза желтого цвета. Почему? Такое свойство обеспечивается примесью азота: достаточно 10-20 атомов азота на миллион атомов углерода. Азот «внедряется» из воздуха, который адсорбируется на исходных реактивах, и этого достаточно, чтобы 100 атомов углерода из миллиона были замещены атомами азота, а кристалл приобрел насыщенный желтый цвет. Но ведь природные алмазы бесцветны, хотя содержание примеси азота в них, как правило, на порядок выше, чем в синтетических. И снова вопрос – почему?

В зависимости от концентрации бора кристаллы будут голубые, синие или даже черные

Дело в том, что атомы азота могут образовывать в алмазе различные центры и, соответственно, свойства кристаллов будут изменяться, в том числе и их цветовые характеристики. Подробнее о строении многочисленных примесных центров в структуре алмаза можно прочитать в замечательной книге к. ф. -м. н. Е. В. Соболева «Тверже алмаза» (Соболев, 1989). А нам нужно разобраться, в каких условиях образуются те или иные центры, и только тогда можно будет получить кристаллы с заданными свойствами.

Добавим в среду кристаллизации титан, алюминий или цирконий. Это геттеры , они соединятся с азотом, и мы получим бесцветные алмазы. Это будут кристаллы не просто бесцветные, а безазотные. Именно такие кристаллы обладают наивысшей теплопроводностью (до 2000 Вт/ (м К)). Но среди природных алмазов безазотные кристаллы встречаются очень редко и далеко не в каждом месторождении.

Теперь в среду кристаллизации, содержащую геттеры, добавим бор. (В лабораторных условиях бор легко входит в структуру алмаза, когда нет азота.) В зависимости от концентрации бора кристаллы получатся голубого, синего или даже черного цвета. Такой алмаз является полупроводником с p-типом проводимости. В природе они встречаются еще реже, чем безазотные, а в отечественных месторождениях вообще не обнаружены.

Комплексные исследования процессов роста кристаллов алмаза и изучение их реальной структуры и свойств позволяют сегодня не только воспроизвести основные типы кристаллов, существующие в природе, но и получить алмазы с новыми свойствами, аналогов которым в природе не существует.

Например, в плане создания перспективной «алмазной электроники» чрезвычайно актуальна проблема получения кристаллов алмаза, легированных электрически активными примесями. Мы уже говорили о легировании алмаза бором и получении полупроводниковых алмазов с р-типом проводимости. Вместе с тем для применения алмазов в микроэлектронике необходимо решение ряда принципиальных проблем, одной из которых является получение полупроводниковых алмазов с n-типом проводимости.

Примеси фосфора или серы способны, в принципе, образовывать донорные центры в алмазе и давать n-тип . Однако «загнать» их в структуру алмаза очень непросто. Для этого нужно взять в качестве растворителей расплавы фосфора или серы. Кристаллы, полученные в расплаве фосфора, пока очень мелкие – первые сотни микрон. Зато цвет их – фиолетовый! Инфракрасная (ИК)-спектроскопия подтверждает, что фосфор вошел в структуру алмаза. Так что первый шаг сделан и в этом направлении.

Управлять свойствами алмаза можно не только в процессе роста. Так, с помощью тех же аппаратов БАРС в лаборатории разработаны методы термобарической обработки алмазов, направленные на изменение их реальной структуры и физических свойств. Фактически это отжиг при высоком давлении, однако условия такого отжига реализуются при рекордных параметрах – давлении 80 тыс. атмосфер и температуре до 2500 °С. Оказывается, что в таких условиях происходит не только трансформация дефектно-примесной структуры алмаза (например, агрегация одиночных атомов азота в пары и другие более сложные центры), но и аннигиляция более крупных неоднородностей структуры (например, дефектов упаковки).

Берем коричневые кристаллы алмаза, содержащие азот в форме одиночных замещающих атомов (С-центры); подвергаем воздействию нужной температуры и давления. Атомы азота должны образовать пары (А-центры), а алмазы – обесцветиться.Однако после экспериментов кристаллы стали не бесцветными, как ожидалось, а зеленоватыми. На ИК-спектрах действительно наблюдаются структуры, соответствующие А-центрам. Зеленый оттенок – это проявление никель-азотных центров. Алмаз растет из раствора углерода в расплаве железа и никеля. Оказывается, что никель тоже способен встраиваться в структуру алмаза и образовывать различные никель-азотные центры.

Так что отжиг под давлением оказался удачным методом воздействия на алмазы. Это направление успешно развивает к. г. -м. н. А.А. Калинин. Именно после его экспериментов по отжигу и облагораживанию природных алмазов с коричневой окраской многие увлеклись улучшением цветовых характеристик природных алмазов, забывая иногда указать в сертификате, что камень подвергался искусственным воздействиям.

В названии данного раздела речь шла о радуге. Оранжевые, желтые, зеленые, синие и фиолетовые алмазы уже были. Какие еще цвета остались? Красный. Берем исходный кристалл с небольшой концентрацией С-центров, облучаем электронами – создаем вакансионные центры и затем нагреваем до 200 °С. Получаем удивительный цвет … морской волны. Нагреваем тот же кристалл до 1000 °С в защитной атмосфере – получаем пурпурно-красный. Вот теперь в алмазной радуге есть все цвета.

Перспективы применения

В 1980-х гг. исследования по физике алмаза были невероятно популярны. Отдельные лаборатории и даже целые институты занимались алмазными проблемами; проходили регулярные всесоюзные алмазные конференции. Но в стране не было синтезировано кристаллов алмаза крупнее одного миллиметра. Всем нужны были хорошие крупные кристаллы, но уровень развития техники и технологий не позволял их выращивать. Сегодня совсем другая ситуация: через кристалл синтетического алмаза, полученный в нашей лаборатории, можно смотреть на соседний институт и прилегающие к нему территории. Значит, есть все основания для кооперации со специалистами из различных отраслей знаний, чтобы начать работы по применению монокристаллов синтетического алмаза в высокотехнологических сферах науки и техники.

Одно из перспективных направлений применения синтетического алмаза связано с рентгеновской оптикой. В этом смысле алмаз обладает рядом преимуществ: высокой теплопроводностью, прозрачностью в рентгеновском диапазоне и низким коэффициентом термического расширения

Основные направления проводимых исследований связаны с наиболее перспективными областями науки и техники, где использование алмаза вместо традиционных материалов позволит решить ряд проблем принципиального характера. Потенциальных областей применения у алмаза очень много, ограничимся лишь теми, где уже есть конкретные заделы. Так, из высококачественных кристаллов синтетического алмаза, полученных в нашей лаборатории, изготовлены алмазные наковальни, элементы рентгеновской оптики и детекторов ионизирующих излучений. Все эти изделия прошли успешные испытания в ведущих специализированных научных центрах.

Как там в недрах?

В науках о Земле алмаз рассматривается прежде всего как индикатор сверхглубинных геологических процессов (Добрецов и др., 2001). Во все времена происхождение природных алмазов было загадкой. Да и сегодня этот вопрос остается предметом очень бурных дискуссий, особенно на больших специализированных научных форумах.

Одно из важных направлений – применение алмаза для регистрации рентгеновского и гамма-излучений в радиологии и медицине. Здесь алмаз обладает такими достоинствами, как тканеэквивалентность, химическая стабильность, нетоксичность и малый размер детектора

Условия образования алмаза в мантии Земли большинство ученых оценивают следующим образом: давление порядка 50-60 тыс. атм., температура примерно 1000-1400 °С. Поэтому, если на вопрос: «Как там в недрах?», – вы ответите, что очень тесно и очень жарко, то, в принципе, не ошибетесь, хотя и сильно приукрасите существующие там условия.

Если по поводу температур и давления, необходимых для образования алмаза, у большинства специалистов нет существенных разногласий, то относительно состава среды кристаллизации и источника углерода ясности нет. Как говорится в таких случаях – вопрос дискуссионный. Подсказку дает сам природный алмаз. Этот сверхпрочный кристалл является уникальным контейнером, захватившим в процессе роста вещество мантии в виде включений. Минеральные включения в алмазах представлены в основном силикатами (гранат, оливин, пироксен) и сульфидами (пирротин, пентландит). Логично предположить, что алмаз кристаллизовался в силикатных или сульфидных расплавах. А может быть, в карбонатах? Ведь карбонаты тоже иногда встречаются в качестве включений в алмазах.

Начиная с работы академика В.С. Соболева (Соболев, 1960), проблема происхождения алмазов в природе обсуждается вместе с проблемой искусственного получения этого минерала. В 70-х гг. прошлого века, когда в лабораторных условиях уже научились создавать высокое давление и температуру (и, более того, умели получать алмазы, используя в качестве растворителей расплавы железа, никеля и кобальта), экспериментаторы решили помочь геологам разобраться в том, как же алмаз образуется в природе.

Классики в области высоких давлений работали аккуратно и честно. Поставили эксперименты в различных по составу расплавах; параметры – температуру, давление и длительность – выбрали такие же, как и в экспериментах с расплавами металлов, где заведомо получался алмаз. Не забыли положить и графит. Надавили, нагрели, проанализировали – нет алмаза! Повторили – опять нет. Проверили разные среды – снова алмаза нет! А что есть? Есть только метастабильный графит, образованный в области термодинамической стабильности алмаза.

Значит, углерод в этих средах при данных условиях растворяется – сказали классики и были абсолютно правы. Но нужно было сделать и следующий шаг: ответить на вопрос, почему так происходит? Экспериментаторы пришли к выводу, что есть две группы растворителей углерода: алмаз-продуцирующие и… (что делать) графит-продуцирующие. Тех, кто занимался технологическими проблемами синтеза алмаза, такое объяснение вполне устроило. А вот геологов – нет. Почему? Да потому, что алмаз в природе находится в основном в кимберлитах (карбонатно-силикатных породах), да и включения в алмазах, как уже отмечалось, состоят преимущественно из силикатов, оксидов и сульфидов.

«Не будем нервничать, – сказали экспериментаторы, – вот вам модель образования алмаза в природе… из расплава железа и никеля. Ведь сами говорили, что где-то там, в ядре Земли есть расплав металлов… и состав подходит, а главное – алмазы образуются». В общем, огорчились и те и другие, и продолжили заниматься каждый своим делом: одни – синтезировать алмазы, другие – искать их в природе. Говоря современным языком, на том этапе «интеграции» не получилось.

Тем не менее успехи были весьма значительные. Одно только открытие микроалмазов в гранатах и цирконах метаморфических пород Кокчетавского массива чего стоит (Sobolev, Shatsky, 1990). Экспериментаторы тоже не сидели сложа руки. Проблемой синтеза алмаза в неметаллических расплавах заинтересовались в Японии. Появились сообщения о кристаллизации алмаза в расплавах карбонатов при давлении 75 тыс. атм. и температуре около 2000 °С.

«Интересно, – сказали геологи, – но Р-Т -параметры (давление-температура) слишком высоки для природных процессов». К проблеме подключились научные коллективы из Англии, США, России (Черноголовка и Новосибирск), однако каждый пошел своим путем.

Учитывая, что одним из важнейших геологических факторов является время, мы снизили параметры и увеличили продолжительность экспериментов до нескольких часов. Алмаза нет. Еще увеличили длительность – и вот он, алмаз! И температура «всего» 1700 °С. «Температура выше, чем в природе», – сказали геологи. Что делать дальше? Добавили воды и еще увеличили длительность. Процесс кристаллизации алмаза пошел активнее. Да и состав в общем-то подходящий – щелочной карбонат, H 2 O и СО 2 (микровключения подобного состава все чаще и чаще стали находить в природных алмазах). Еще снизили давление и температуру, а время увеличили до 100 часов. И снова – алмаз! При давлении 57 тыс. атм. и температуре всего 1150 °С. Ура! Параметры как природные, и даже ниже, чем в металл-углеродных системах. Это был результат, достойный Nature , даже с учетом всех строгостей самого авторитетного в мире научного журнала (Pal’yanov et al. , 1999).

Об алмазе – самом загадочном минерале на Земле – читайте также в статье чл.-корр. РАН Н. П. Похиленко
(«Наука из первых рук», №4, 2007 г.)

Конечно, в природе все сложнее, чем в лаборатории (Похиленко, 2007). Экспериментальными исследованиями по карбонат-силикатным взаимодействиям нам удалось доказать, что карбонаты могут быть не только средой кристаллизации, но и источником углерода алмаза (Pal’yanov et al. , 2002). В результате в модельных системах удалось создать условия для совместной кристаллизации алмаза и других мантийных минералов, таких как пироп, оливин, пироксен и коэсит (Pal’yanov et al. , 2005).

Наука не стоит на месте. Появляются новые данные о составе микро- и даже нановключений в природных алмазах. В таких включениях были обнаружены не только карбонаты, но также и хлориды и еще масса всякой «экзотики». Возникают новые и новые модели образования алмаза. Нужно детально все проверить и разобраться в механизмах кристаллизации алмаза (Pal’yanov et al. , 2007).

Наша история о том, где растут алмазы подходит к концу, а история применения алмаза в высокотехнологических областях науки и техники только начинается. Да и в геологической науке осталось еще много загадок, связанных с происхождением этих великолепных кристаллов.

Литература

Добрецов Н. Л., Кирдяшкин А. Г., Кирдяшкин А. А. Глубинная геодинамика. Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «Гео», 2001, 2-е изд., 409 с.

Пальянов Ю. Н., Малиновский И. Ю., Борздов Ю. М., Хохряков А. Ф., Чепуров А. И., Годовиков А. А., Соболев Н. В. Выращивание крупных кристаллов алмаза на беспрессовых аппаратах типа «разрезная сфера» // Докл. АН СССР. 1990. Т. 315. №5. С.1221-1224.

Похиленко Н. П. Алмазный путь длиною в три миллиарда лет. // Наука из первых рук. 2007. № 4 (16). С. 28-39.

Соболев Е. В. . Тверже алмаза. Новосибирск: Наука, 1989. 190 с.

Соболев В. С. Условия образования месторождений алмазов // Геология и геофизика. 1960. № 1. С. 7-22.

Pal’yanov Yu. N., Sokol A. G., Borzdov Yu. M., Khokhryakov A. F., Sobolev N. V. Diamond formation from mantle carbonate fluids // Nature. V. 400. 29 July 1999. P. 417-418

Pal’yanov Yu. N., Sokol A. G., Borzdov Yu. M., Khokhryakov A. F., Sobolev N. V. Diamond formation through carbonate-silicate interaction // Amer. Mineral. 2002. V. 87. №7. P. 1009-1013

Pal’yanov Yu. N., Sokol A. G., Tomilenko A. A., Sobolev N. V. Conditions of diamond formation through carbonate-silicate interaction. Eur. J. Mineralogy. 2005. V. 17. P. 207-214

Palyanov Yu. N., Shatsky V. S., Sobolev N. V., Sokol A. G. The role of mantle ultrapotassic fluids in diamond formation // roc. Nat. Acad. Sci. USA. 2007. V. 104. P. 9122-9127

Shigley J. E., Fritsch E., Koivula J. I., Sobolev N. V., Malinovsky I. Yu., Pal’yanov Yu. N. The gemological properties of Russian gem-quality synthetic yellow diamonds // Gems & Gemology. 1993. V. 29. P. 228-248

Sobolev N. V., Shatsky V. S. Diamond inclusions in garnets from metamorphic rocks // Nature. 1990. V. 343. P. 742-746