11 августа 2023 БКС Экспресс
Кольцо с роскошным бриллиантом может скрывать тайну: камень точь-в-точь как натуральный, но он не добыт на месторождении. Нет, это не подделка, хотя его цена существенно ниже привычной. Значит, это кольцо с бриллиантом, который вырастили в лаборатории, — за последние несколько лет доля украшений с такими камнями значительно выросла, и тенденция продолжается. Рассказываем больше об искусственных алмазах и том, как их производят.
В чем разница между алмазом и бриллиантом? И то, и другое — аллотропная модификация углерода. По составу и способу образования это один и тот же камень, и отличие у них лишь одно: алмаз — не ограненный минерал, добытый из породы, а бриллиант — алмаз, который огранили.
Как появился искусственный камень: «Проект сверхдавления»
В конце XVIII века ученые обнаружили, что алмазы состоят из чистого углерода — тогда и появилась идея, что можно воспроизвести их искусственный вариант. Все следующее столетие длилась гонка по созданию первого алмаза в лаборатории, были даже заявления об удачных экспериментах, но повторить их и закрепить успех не удавалось. Пока к 40-м годам прошлого века в «игру» не включилась компания General Electric.
Секретный эксперимент под кодовым названием «Проект сверхдавления» длился более десятилетия, поскольку работы пришлось отложить из-за Второй мировой. Ученые использовали различные методы, меняли уровни температуры и давления, чтобы получить из углерода алмаз. В итоге к желаемому результату пришел Герберт Стронг, который использовал затравочный материал, как это делали ученые в Советском Союзе, также активно участвующие в экспериментальной гонке. Затравочные кристаллы алмазов — материал, из которого должен быть лабораторно выращен более крупный продукт того же материала. Стронг, обычно тративший на эксперимент пару часов, решил оставить «затравку» на ночь.
Процесс напоминал природный: на минерал оказывали влияние высокая температура в 1200 градусов по Цельсию и высокое давление — 50 тыс. атмосфер. Полученный камень смог поцарапать лабораторные инструменты, то есть был очень твердым — верный признак того, что перед учеными действительно оказался алмаз. Затем аналогичный эксперимент, но по более старой технологии, повторил коллега Стронга Трейси Холл — он получил алмаз менее чем за 40 минут, температура была увеличена до 1600 градусов по Цельсию, а давление — до 100 тыс. атмосфер. Метод Холла был подтвержден независимым физиком.
«Мгновенно у меня начали дрожать руки. Мое сердце бешено билось. Колени ослабли и больше не поддерживали меня. Непередаваемые эмоции переполняли меня, и мне нужно было найти место, чтобы присесть!» — Холл о результатах своего эксперимента.
В начале 1955 г. General Electric опубликовала результаты своих лабораторных исследований, но технические подробности продолжала оставлять в тайне.
Как выращивают алмазы: давление, осаждение и взрывчатка
К двум наиболее популярным способам выращивания алмазов относятся методы HPHT (high-pressure high-temperature — высокое давление и высокая температура) и CVD (chemical vapor deposition — химическое осаждение из газовой фазы).
Интересный факт. Искусственные алмазы нередко называют синтетическими, но это название сочли не очень удачным. Федеральная торговая комиссия США предложила альтернативу — «выращенные/созданные в лаборатории», что описывало бы происхождение камня более корректно.
Под высоким давлением и температурой
Небольшая частичка кристалла помещается в ячейку в центре камеры вместе с другими необходимыми для выращивания алмазов элементами — среди них графит, аллотропная модификация необходимого для процесса углерода.
В эксперименте Холла графит растворялся в расплавленном никеле, кобальте или железе. Они действовали в качестве «растворителя-катализатора», ускоряя превращение углерода в алмаз. Самый крупный получившийся камень имел диаметр 0,15 мм — он был маленьким и визуально не подходил для использования в ювелирном деле, поэтому применялся в промышленных абразивах.
Под воздействием постоянной высокой температуры и высокого давления элементы переходят из твердой в расплавленную форму. Затем начинается процесс охлаждения, в течение которого атомы углерода нарастают на частичку кристалла и формируются большие алмазы.
Химическое осаждение из газовой фазы
Маленькие алмазные пластинки, являющиеся «семенами» для выращивания искусственных камней, должны быть идеально чистыми, поэтому их прочищают в специальном оборудовании — ультразвуковом очистителе. Суть выращивания — сделать так, чтобы углерод кристаллизовался на затравке, соответственно, увеличивая объем алмаза. Поэтому в лабораториях создают для этого специальную среду.
Поднос с затравкой помещается внутрь камеры с высокой температурой в 1000 градусов по Цельсию. Водород и метан нагнетаются в «теплицу» при низком давлении, а затем поджигаются при помощи энергии микроволн и создают пламенный шар. В плазме атомы углерода высвобождаются из метана, в котором содержатся, и присоединяются к углеродным атомам затравки, которая начинает вырастать в алмаз атом за атомом.
Поверхность получившегося камня темная и грубая, поэтому его ограняют точечным лазерным резаком и полируют на круге с алмазным покрытием: подходит только оно, потому что другим материалам не хватит прочности.
Помимо этого, существуют еще два метода получения искусственных алмазов.
Детонация взрывчатки
В металлическую камеру помещается углеродсодержащая взрывчатка. Во время взрыва создаются высокое давление и высокая температура, и углерод из взрывчатки превращается в алмаз. Затем камеру сразу погружают в воду, чтобы не произошло дальнейшего перехода получившегося продукта в графит.
Ультразвук
Алмазы можно получить из суспензии графита в органическом растворителе при воздействии ультразвуком. Эта методика была несколько раз воспроизведена в лабораториях, но в промышленности пока не используется.
В 2021 г. в Книге рекордов Гиннеса отмечен самый крупный синтетический необработанный бриллиант весом 150,42 карата — он был изготовлен британской компанией Meylor Global LLP совместно с украинским ученым Андреем Катрушей.
Где применяют: абразивы и ювелирное дело
• Поскольку алмазы твердые, в промышленности их применяют как режущие и абразивные инструменты. Они используются для шлифовки любых материалов, так как превосходят все остальные по твердости, в том числе для огранки самих алмазов.
• Искусственные алмазы используются в космической промышленности — в датчиках температуры, измерителях радиации и подобном. В том числе камни идут в ход при строительстве космических кораблей.
В 1978 г. была запущена станция Pioneer для исследования Венеры — ее поверхность была сделана из искусственных алмазов. Это нужно было для того, чтобы аппарат выдержал экстремальные температуры в космосе.
• В электронике выращенным в лаборатории камням тоже нашлось применение: они являются сырьем для комплектующих электронных плат, детекторов излучения и прочей техники.
А такое качество, как теплопроводность, позволяет использовать искусственные алмазы как теплоотводы для лазеров и транзисторов высокой мощности.
• Благодаря своим свойствам алмазы применяются в оптике, например, именно их используют при изготовлении телескопов в мировых обсерваториях. Сверхточное оборудование, детали которого состоят из искусственных камней, используют в медицине, авиаотрасли и военном деле.
• И, конечно, с искусственными алмазами работают ювелиры. В лабораторных условиях ученые давно научились изготавливать камни различных цветов, их активно инкрустируют в ювелирные изделия, и популярность искусственных бриллиантов только растет. За последние 4 года доля лабораторно выращенных камней в совокупных продажах изделий с бриллиантами в мире выросла вдвое, до 13%.
Важно не путать бриллианты, полученные из выращенных в лаборатории алмазов, с такими камнями, как фианиты и муассаниты. Фианит нередко называют искусственным бриллиантом, но это неверно: химически он является диоксидом циркония, в то время как натуральный бриллиант — это форма углерода. Этот камень назван в честь Физического института Академии наук СССР (ФИАН), ученые которого и синтезировали его 50 лет назад. А муассанит — это карбид кремния, похожий на бриллиант своими характеристиками. В конце XIX в его открыл ученый Анри Муассан.
Эти камни — имитации бриллианта. Специалисты в области геммологии распознают их без труда.
Отличить искусственный бриллиант от натурального у обывателя не получится: нужны специальное оборудование и проведение тестов. Например, окрашенный бриллиант «выдаст» распределение цвета по камню — геммолог сможет увидеть это под микроскопом. Для бриллиантов, полученных методом HPHT, подойдет тест магнитом — большинство таких камней обладают магнитными свойствами. Распознать натуральные бриллианты помогут также флуоресценция, фосфоресценция и другие способы.
Выращенные в лаборатории камни сертифицируются: в документе при покупке будут указаны общие параметры, те же, что и у природных бриллиантов, а также метод создания — lab-grown (лабораторно-выращенный). Такие камни сертифицируются международными геммологическими лабораториями — GIA, HRD и другими.
В чем разница между алмазом и бриллиантом? И то, и другое — аллотропная модификация углерода. По составу и способу образования это один и тот же камень, и отличие у них лишь одно: алмаз — не ограненный минерал, добытый из породы, а бриллиант — алмаз, который огранили.
Как появился искусственный камень: «Проект сверхдавления»
В конце XVIII века ученые обнаружили, что алмазы состоят из чистого углерода — тогда и появилась идея, что можно воспроизвести их искусственный вариант. Все следующее столетие длилась гонка по созданию первого алмаза в лаборатории, были даже заявления об удачных экспериментах, но повторить их и закрепить успех не удавалось. Пока к 40-м годам прошлого века в «игру» не включилась компания General Electric.
Секретный эксперимент под кодовым названием «Проект сверхдавления» длился более десятилетия, поскольку работы пришлось отложить из-за Второй мировой. Ученые использовали различные методы, меняли уровни температуры и давления, чтобы получить из углерода алмаз. В итоге к желаемому результату пришел Герберт Стронг, который использовал затравочный материал, как это делали ученые в Советском Союзе, также активно участвующие в экспериментальной гонке. Затравочные кристаллы алмазов — материал, из которого должен быть лабораторно выращен более крупный продукт того же материала. Стронг, обычно тративший на эксперимент пару часов, решил оставить «затравку» на ночь.
Процесс напоминал природный: на минерал оказывали влияние высокая температура в 1200 градусов по Цельсию и высокое давление — 50 тыс. атмосфер. Полученный камень смог поцарапать лабораторные инструменты, то есть был очень твердым — верный признак того, что перед учеными действительно оказался алмаз. Затем аналогичный эксперимент, но по более старой технологии, повторил коллега Стронга Трейси Холл — он получил алмаз менее чем за 40 минут, температура была увеличена до 1600 градусов по Цельсию, а давление — до 100 тыс. атмосфер. Метод Холла был подтвержден независимым физиком.
«Мгновенно у меня начали дрожать руки. Мое сердце бешено билось. Колени ослабли и больше не поддерживали меня. Непередаваемые эмоции переполняли меня, и мне нужно было найти место, чтобы присесть!» — Холл о результатах своего эксперимента.
В начале 1955 г. General Electric опубликовала результаты своих лабораторных исследований, но технические подробности продолжала оставлять в тайне.
Как выращивают алмазы: давление, осаждение и взрывчатка
К двум наиболее популярным способам выращивания алмазов относятся методы HPHT (high-pressure high-temperature — высокое давление и высокая температура) и CVD (chemical vapor deposition — химическое осаждение из газовой фазы).
Интересный факт. Искусственные алмазы нередко называют синтетическими, но это название сочли не очень удачным. Федеральная торговая комиссия США предложила альтернативу — «выращенные/созданные в лаборатории», что описывало бы происхождение камня более корректно.
Под высоким давлением и температурой
Небольшая частичка кристалла помещается в ячейку в центре камеры вместе с другими необходимыми для выращивания алмазов элементами — среди них графит, аллотропная модификация необходимого для процесса углерода.
В эксперименте Холла графит растворялся в расплавленном никеле, кобальте или железе. Они действовали в качестве «растворителя-катализатора», ускоряя превращение углерода в алмаз. Самый крупный получившийся камень имел диаметр 0,15 мм — он был маленьким и визуально не подходил для использования в ювелирном деле, поэтому применялся в промышленных абразивах.
Под воздействием постоянной высокой температуры и высокого давления элементы переходят из твердой в расплавленную форму. Затем начинается процесс охлаждения, в течение которого атомы углерода нарастают на частичку кристалла и формируются большие алмазы.
Химическое осаждение из газовой фазы
Маленькие алмазные пластинки, являющиеся «семенами» для выращивания искусственных камней, должны быть идеально чистыми, поэтому их прочищают в специальном оборудовании — ультразвуковом очистителе. Суть выращивания — сделать так, чтобы углерод кристаллизовался на затравке, соответственно, увеличивая объем алмаза. Поэтому в лабораториях создают для этого специальную среду.
Поднос с затравкой помещается внутрь камеры с высокой температурой в 1000 градусов по Цельсию. Водород и метан нагнетаются в «теплицу» при низком давлении, а затем поджигаются при помощи энергии микроволн и создают пламенный шар. В плазме атомы углерода высвобождаются из метана, в котором содержатся, и присоединяются к углеродным атомам затравки, которая начинает вырастать в алмаз атом за атомом.
Поверхность получившегося камня темная и грубая, поэтому его ограняют точечным лазерным резаком и полируют на круге с алмазным покрытием: подходит только оно, потому что другим материалам не хватит прочности.
Помимо этого, существуют еще два метода получения искусственных алмазов.
Детонация взрывчатки
В металлическую камеру помещается углеродсодержащая взрывчатка. Во время взрыва создаются высокое давление и высокая температура, и углерод из взрывчатки превращается в алмаз. Затем камеру сразу погружают в воду, чтобы не произошло дальнейшего перехода получившегося продукта в графит.
Ультразвук
Алмазы можно получить из суспензии графита в органическом растворителе при воздействии ультразвуком. Эта методика была несколько раз воспроизведена в лабораториях, но в промышленности пока не используется.
В 2021 г. в Книге рекордов Гиннеса отмечен самый крупный синтетический необработанный бриллиант весом 150,42 карата — он был изготовлен британской компанией Meylor Global LLP совместно с украинским ученым Андреем Катрушей.
Где применяют: абразивы и ювелирное дело
• Поскольку алмазы твердые, в промышленности их применяют как режущие и абразивные инструменты. Они используются для шлифовки любых материалов, так как превосходят все остальные по твердости, в том числе для огранки самих алмазов.
• Искусственные алмазы используются в космической промышленности — в датчиках температуры, измерителях радиации и подобном. В том числе камни идут в ход при строительстве космических кораблей.
В 1978 г. была запущена станция Pioneer для исследования Венеры — ее поверхность была сделана из искусственных алмазов. Это нужно было для того, чтобы аппарат выдержал экстремальные температуры в космосе.
• В электронике выращенным в лаборатории камням тоже нашлось применение: они являются сырьем для комплектующих электронных плат, детекторов излучения и прочей техники.
А такое качество, как теплопроводность, позволяет использовать искусственные алмазы как теплоотводы для лазеров и транзисторов высокой мощности.
• Благодаря своим свойствам алмазы применяются в оптике, например, именно их используют при изготовлении телескопов в мировых обсерваториях. Сверхточное оборудование, детали которого состоят из искусственных камней, используют в медицине, авиаотрасли и военном деле.
• И, конечно, с искусственными алмазами работают ювелиры. В лабораторных условиях ученые давно научились изготавливать камни различных цветов, их активно инкрустируют в ювелирные изделия, и популярность искусственных бриллиантов только растет. За последние 4 года доля лабораторно выращенных камней в совокупных продажах изделий с бриллиантами в мире выросла вдвое, до 13%.
Важно не путать бриллианты, полученные из выращенных в лаборатории алмазов, с такими камнями, как фианиты и муассаниты. Фианит нередко называют искусственным бриллиантом, но это неверно: химически он является диоксидом циркония, в то время как натуральный бриллиант — это форма углерода. Этот камень назван в честь Физического института Академии наук СССР (ФИАН), ученые которого и синтезировали его 50 лет назад. А муассанит — это карбид кремния, похожий на бриллиант своими характеристиками. В конце XIX в его открыл ученый Анри Муассан.
Эти камни — имитации бриллианта. Специалисты в области геммологии распознают их без труда.
Отличить искусственный бриллиант от натурального у обывателя не получится: нужны специальное оборудование и проведение тестов. Например, окрашенный бриллиант «выдаст» распределение цвета по камню — геммолог сможет увидеть это под микроскопом. Для бриллиантов, полученных методом HPHT, подойдет тест магнитом — большинство таких камней обладают магнитными свойствами. Распознать натуральные бриллианты помогут также флуоресценция, фосфоресценция и другие способы.
Выращенные в лаборатории камни сертифицируются: в документе при покупке будут указаны общие параметры, те же, что и у природных бриллиантов, а также метод создания — lab-grown (лабораторно-выращенный). Такие камни сертифицируются международными геммологическими лабораториями — GIA, HRD и другими.
Не является индивидуальной инвестиционной рекомендацией | При копировании ссылка обязательна | Нашли ошибку - выделить и нажать Ctrl+Enter | Жалоба