Как делают искусственные алмазы и бриллианты

Геологические процессы, побуждающие молекулы углерода кристаллизоваться в сверкающие и твердые алмазы, включают высокую температуру и большое давление. Эти условия формируются в результате тектонической и вулканической активности в недрах земли, когда магматические массы вырываются на поверхность. Несмотря на то, что запасы алмазов на Земле считаются значительными, большая их часть залегает на большой глубине, недоступной для современных способов добычи. Так как камни используются не только в ювелирном деле, но и в промышленности, ученые закономерно начали изучать возможности получения алмазов и бриллиантов лабораторным путем. Рассмотрим основные пункты вопроса как делают искусственные алмазы и бриллианты?

Что такое синтетический алмаз

Не всем нравится определение «синтетический» в отношении алмазов. Считается более точным и близким к сути – «лабораторно созданный». Кроме того, упоминание «синтетической» природы порождает у потенциальных покупателей негативные ассоциации с синтетикой как более дешевым и низкокачественным аналогом, в то время как синтез драгоценных камней в условиях лаборатории позволяет получить камни с характеристиками, превышающими природный эквивалент.

Синтетический алмаз, он же HPHT-алмаз, CVD-алмаз или нанокамни в зависимости от технологии производства. Это аутентичный, то есть состоящий из молекул чистого углерода камень, с трёхмерной изотропической формой кристаллической решетки.

Искусственный алмаз может быть по структуре монокристаллом (один большой кристалл) или получить поликристаллическую форму (состоять из массы небольших кристаллов, сросшихся между собой). Первый тип синтезированных камней востребован для ювелирной промышленности и производства сложного высокоточного оборудования. Поликристаллы используются в промышленных целях для изготовления инструментов. По чистоте и твердости синтезированные алмазы могут даже превосходить природные образцы.

По оттенкам можно получить синтетические алмазы:

• бесцветные (без примесей);
• голубой (присутствует бор);
• желтый (в структуре есть азот).

Также путем воздействия на камни радиоактивным излучением получают кристаллы зеленого и красного цветов. Желтые камни – самые доступные по цене из цветных, в то время как бесцветные синтетические бриллианты ценятся дороже.

Что такое синтетический бриллиант

Полученные в лабораторных условиях камни изначально также малопривлекательны, как и натуральные алмазы. Чтобы придать кристаллам привлекательный, ювелирный вид, их подвергают огранке. В результате получается синтетический бриллиант – ограненный алмаз лабораторного производства.

Такие бриллианты прекрасно преломляют свет, искрятся и отличить их от натурального «собрата» довольно сложно. Одним из признаков, что перед вами синтезированный камень – его безупречность (отсутствие дефектов, вкраплений, идеальная окраска). Алмазы, добытые из кимберлитовой трубки, чаще имеют вкрапления, примеси, трещинки.

Стоимость искусственного бриллианта будет несколько дешевле, чем у природного аналога, но значительно выше, чем у камней-заменителей.

Некоторые производители даже «клеймят» свои творения, нанося лазерную гравировку на бриллиант с серийным номером и пометкой «LG» или ее аналогом, что означает «выращен в лаборатории».

Где применяются

У искусственных алмазов и бриллиантов широкий спектр использования. До 90% искусственных алмазов идут на нужды научных лабораторий и промышленности. Среди производителей даже существует поговорка: «Если больше алмаз ни на что не годен, сделайте из него бриллиант». Благодаря высоким характеристикам прозрачности и дисперсии света их используют не только в ювелирном деле, но и в производстве высокоточных электронных приборов. Камни с более низким качеством идут на изготовление режущих и шлифовальных инструментов, для оптических приборов, а также в качестве теплопроводников.

Ювелирное дело

2-3% рыночного сектора ювелирных алмазов представлены именно синтетическими камнями. Их получают посредством HPHT-процесса, так и благодаря CVD-процессу. На сегодняшний день процесс получение монокристалла алмаза – дорогостоящий, потому увеличить процент искусственно выращенных камней для ювелиров представится возможным после удешевления технологий без потери качества.

Оптические материалы

Постепенно искусственные алмазы вытесняют селенид цинка, используемый в качестве выходного окна в установках гиротронов и CO₂ лазерах и других высокомощных источниках излучения. Благодаря высокой теплопроводности и невысоком коэффициенте линейного расширения алмазные окна прекрасно выводят микроволновое и ИФК (инфракрасное) излучение.

Теплопроводник

Алмаз среди материалов с высокой теплопроводностью отличается низкой способностью проводить электрический ток. Такая характеристика делает его незаменимым материалом для отведения тепла в мощных транзисторах или лазерных диодов высокой мощности. Применение алмазов в системе теплоотвода оправдано тем, что ремонт электронных устройств или замена будет стоить значительно дороже. Синтетические алмазы используют в качестве термораспределителей, чтобы избежать перегрева полупроводников, например, кремния.

Производство промышленных инструментов

Твердость алмазов делает востребованными синтетические камни при изготовлении полировальных паст, абразивов, а также сверхтвердых режущих инструментов.

Так как показатели твердости у алмаза максимальные, покрытие из него применяется для изготовления шлифовальных кругов, сверл, буров, способных обработать любые материалы. В частности, инструменты для огранки алмазов на добывающих предприятиях также с алмазным покрытием.

Примечательно, что синтетические камни предпочтительнее природных, так как в массе своей более единообразны по характеристикам.

Преимущественно алмазное покрытие подразумевает вкрапление алмазных зерен в металлическую матрицу на основе кобальта. При работе металл истирается, а размещенные в массе алмазы постепенно обнажаются, сменяя отработанное покрытие.

Есть технология покрытия инструмента алмазным слоем по принципу CVD-процесса, но пока этот подход не может вытеснить металлическую матрицу с поликристаллическими алмазными зернами.

Единственное ограничение для применения алмазных инструментов – высокоскоростная обработка стали. В месте среза достигается критически высокая температура, приводящая к растворению углерода в железе. Из-за этого инструмент быстро изнашивается. Такой подход оказывается нерентабельным.

На сегодняшний день промышленное производство искусственных алмазов и бриллиантов еще не достигло уровня, когда они могли бы полноценно конкурировать с рынком природных камней. Технологическая база нуждается в совершенствовании. Однако, уже сейчас начались рекламные, маркетинговые баталии между алмазодобывающими компаниями и производителями синтетических камней.

Технология производства

В условиях лаборатории синтетические алмазы получают путем физических или химических процессов. Кристаллизация молекул углерода в алмазную решетку происходит под воздействием нескольких факторов, которые необходимо создать искусственно. Особенность производства алмазов заключается в поддержании качественной среды, не допускающей сторонних примесей в камере синтеза. В противном случае характеристика камня будут снижены по сравнению с эталонными образцами.

Температура и давление, или HPHT-технология

Аббревиатура расшифровывается как «High Pressure High Temperature», а сам метод имитирует процессы образования алмазов естественным путем. Углеродную заготовку помещают в капсулу с металлами-катализаторами – кобальтом, железом и никелем. Эта капсула-ячейка далее раскаляется и обжимается многотонными прессами для имитации давления в земных недрах при выходе магматических масс.

Такой метод требует установки, способной генерировать нагрев при высоких температурах и высокое давление. Однако, этот способ достаточно дешевый, потому применяется для создания алмазной пыли и технических алмазов. Единственный недостаток установки Платена, результат не всегда получается безупречным, что и определило ее специализацию на производстве технического алмазного сырья.

Имитация взрыва

Если вспомнить космическую теорию происхождения алмазов, то там присутствует нагрев в слоях атмосферы и взрыв при ударе о поверхность земли. Детонационный синтез нано-алмазов относится также к физическим методам. С помощью взрывчатки графит подвергается резкому нагреву до высоких температур и увеличению давления.

Ультразвуковой синтез

Интересным в данном методе является то, что микрокристаллы получаются при комнатной температуре и обычном атмосферном давлении. На суспензию из графита и органической жидкости воздействуют ультразвуковой кавитацией. При прохождении звуковых волн определенной интенсивности в жидкости образуются пузырьки. Когда эти пузырьки-пустоты схлопываются, получается выброс большого количества энергии аналогичный гидравлическому удару. В результате этой энергии хватает для образования кристаллической решетки наноалмазов.

Метод CVD

В основе этой технологии лежат химические процессы. Полное название - Chemical vapor deposition, или химическое осаждение из газа. Процесс происходит при низком давлении, а синтезированные алмазы отличаются более высоким качеством, нежели при воздействии температуры и прессов.

В качестве источников углерода выступает газ, чаще всего используют метан или другое водород-углеродсодержащее соединение. Осаждение происходит на так называемую «затравку», на которой будет формироваться кристаллическая решетка.

Такой метод позволяет получить тонкие, но достаточно большие по площади алмазные образцы, которые будут использоваться для лазерных и других высокоточных приборов.

Достоинства и недостатки

Единственным недостатком синтетических алмазов и бриллиантов является их цена. Производство камней требует сложного оборудования, условий лаборатории. Кроме того, чтобы получить небольшой камень, требуется время.

Из достоинств лабораторно выращенного кристалла можно выделить:

• полную идентичность природному аналогу (определить синтезированное происхождение можно только в лаборатории);
• высокую чистоту камня, с минимальным процентом примесей;
• максимальную твердость по шкале Моос;
• способность отводить большое количество тепла в совокупности со свойствами диэлектрика;
• устойчив к кислотам и другим агрессивным средам.

Еще одно достоинство синтезированных алмазов – их «гуманная составляющая». При разработке алмазных шахт в странах Африки используется человеческий труд, плюс из-за военных конфликтов алмазные месторождения становятся предметом ожесточенных конфликтов с человеческими жертвами. Лабораторные камни исключают оба этих фактора, они исключительно «мирные». Этот факт делает их привлекательными для людей, не желающих поддерживать любые проявления дискриминации и насилия.

В заключении стоит упомянуть, что синтетические алмазы и их имитации не одно и тоже. Да, фианиты, муассанит – тоже искусственные камни, которые заменяют природный бриллиант в ювелирных украшениях. Они похожи внешне – бесцветные, искрятся, но по молекулярному составу имеют значительные отличия. Также их выдают физико-химические отличия в характеристиках.

Среди любителей алмазов и бриллиантов есть как поклонники природных камней, так и те, кто принципиально интересуется достижениями науки. Ювелирные украшения с синтетическими бриллиантами не уступают аналогам, поражая сверканием и переливами на гранях. Возможность получать фэнтезийную окраску также дает ювелирам преимущества в создании сложных дизайнерских работ, ведь теперь камень можно создать под заказ.